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摘要：为了促进人与自然的协调可持续发展，科技领域开始致力于可再生的清洁能源利用。太阳能是源自于太阳的天体能源，属于是用之不竭的能源，利用太阳能发电，不仅具有可再生性，而且还不会污染生态环境。50kW太阳能光伏发电供电系统就是将太阳能转化为电能的系统，针对其优化设计进行研究，有助于提高太阳能的利用率。
关键词：太阳能；光伏发电；优化设计
1太阳能电池方阵设计
1.1太阳能光伏发电系统容量的计算太阳能光伏发电系统容量的计算需要的基本参数有：
1.1.1确定所有负载功率及连续工作时间。
1.1.2确定太阳能电池组件的安装地理位置，如经度、纬度及海拔高度等。
1.1.3确定安装地点的气象资料，如年太阳能辐射总量或年平均日照时数、年平均气温和极端气温、最长连续阴雨天数、最大风速及冰雹等特殊气候资料。
太阳能电池组件设计的主要原则，是要满足平均气候条件下负载的每日用电需求，应为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳能电池组件和蓄电池在天气条件下有别于平均值的情况下协调工作。在太阳能电池组件设计中较好的方法是使太阳能电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需求，也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能被完全的充电，这样蓄电池全年都能达到全满充电状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。
1.2太阳能电池组件
太阳能电池组件的日输出功率与太阳能电池组件中电池片数的串联数量有关，太阳能电池在光照下的电压随着温度的升高而降低，从而导致太阳能电池组件的电压随着温度升高而降低。太阳能电池生产商根据太阳能电池组件的工作的不同气候条件，设计了不同的组件：
36片串联与33片串联组件。36片太阳能电池组件主要适用于高温环境应用，采用36片太阳能电池组件的串联设计使得太阳能电池即使在高温下也可以在Imp附近工作。33片串联的太阳能电池组件适用于在温和气候条件下使用，33片串联组件在标准条件下，太阳能电池组件的Vmp为16V，稍高于额定电压12V的蓄电池充电所需的电压。在设计中主要是满足太阳能电池组件的工作电流和功率这两个参数。同时还要根据目前太阳能电池材料、工艺水平和使用寿命的要求，使太阳能组件面积合适。并让单体太阳能电池之间的连接可靠，以使组合损失较小。
3太阳能电池组件串联数Ns
太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得做需要的工作电压，但是，太阳能电池组件串联数Ns必须适当。串联数太小，串联电压低于蓄电池浮冲电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联的片数太多使输出电压远高于蓄电池浮冲电压时，蓄电池充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的端电压等于合适的蓄电池浮冲电压时，才能达到最佳的充电状态。计算方法如下：
Ns=VR/VOC=(VF+VD+VC)/VOC
式中，VR为太阳能电池方阵输出最小电压；VOC为太阳能电池组件的最佳工作电压；VF为蓄电池浮冲电压；VD为二极管的管压降，一般取0.7V，VC为其他原因引起的压降。
2蓄电池组设计
2.1配套蓄电池的选择
太阳能光伏发电系统采用的储能装置是蓄电池，与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮冲状态下，其电压随太阳能电池方阵发电量和负载用电量的变化而变化，它的容量比负载所需的电量大得多。目前广泛使用的有VRLA蓄电池，普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用VRLA蓄电池，因为固有的免维护特性以及对环境较少的污染特点，很适合性能要求可靠的太阳能光伏发电系统。
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2.2太阳能电池与蓄电池及负载的匹配
若一天要把12V/40A·h的蓄电池充满，可选用电压为15-18V、电流为4A的太阳能电池组件，或选电流为1A的太阳能电池板用四块并联使用。如果要求两天将蓄电池充满，那么太阳能电池组件选2A的电流即可。充电时，太阳能电池的电压要高于蓄电池端电压的20%-30%。如12V/10A·h的蓄电池充满后，可供12V/10W的负载工作8h。10W负载的工作电流为I=P/V=10/12=0.8A。蓄电池按10小时放电率计算，正常放电电流为1A，考虑到效率问题，所以负载可以正常工作8-10小时。如用40W负载，电流为40/12=3.3A，负载就智能工作2-3小时。
2.3蓄电池组串、并联设计
每个蓄电池都有它的标称电压，为了达到负载所需的标称工作电压，将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。即串联蓄电池数=负载的标称电压/蓄电池标称电压当计算出作序的蓄电池的单体串联数后，还要决定选择多少个单体蓄电池进行并联得到所需的蓄电池容量。这可以有多种选择，如果计算出的蓄电池容量为为500A·h，那么可选择单体500A·h的蓄电池，也可选择两个250A·h单体蓄电池或五个100A·h的单体蓄电池并联。但是在实际工程设计中应尽量减少并联的数量，一般来说，并联的数目不要超过4组。
3太阳能光伏发电系统的设计方法
3.1确定负载功率：W=ΣI×H式中，I为负载电流；H为负载工作时间（h）。
3.2确定蓄电池容量：C=W×D×1.3式中，D为连续阴雨天数；C为蓄电池标称容量（10小时放电率）。
3.3确定太阳能电池方阵倾角β
3.4计算太阳能电池方阵β倾角下的辐射量
式（1）中，Sβ为β倾角太阳能电池方阵太阳直接辐射分量；α为中午时太阳高度角。
3.5计算太阳能电池方阵电流
式（2）中，Imin为太阳能电池方阵最小输出电流；Tm为平均峰值日照时数；η1为蓄电池充电效率；η2为太阳能电池方阵表面灰尘遮散损失。
3.6确定太阳能电池方阵电压
太阳能电池方阵的工作电压为蓄电池浮冲电压和线路损耗引起的电压降以及太阳能电池因温升引起的电压降之和。蓄电池浮冲电压为额定电压的1.125倍，线路电压降为负载电压的3%，硅PN结的压降为0.7V，温升电压降系数为-0.0023V/℃，当负载电压为12V时，其压降小于2.07V。所以太阳能电池
方阵工作电压一般为负载工作电压的1.4倍。太阳能电池方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有有效地对蓄电池充电。太阳能电池方阵在任何季节的工作电压应满足：V=VF+Vd式中，VF为蓄电池的浮冲电压（25℃）；Vd为线路电压损耗。
3.7确定太阳能电池方阵功率
由于温度升高时，太阳能电池的输出功率将下降，因此要求光伏发电系统即使在最高温度下也能确保用电负载正常运行，所以在标准测试温度（25℃）下方阵的输出功率应为
式（3）中，α为太阳能电池功率的温度系数，对一般的硅太阳能电池，α=0.5%；tmax为太阳能电池最高工作温度。
4结束语
设计一个完善的太阳能光伏发电系统需要考虑很多因素、进行各种设计，如电气性能设计、防雷设计、静电屏蔽设计、机械结构设计等。光伏发电系统的总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量，宜尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。
参考文献
[1]张兴.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京.机械工业出版社.2011.
作者简介
李文静（1984.3-），女，山西长治人，山西大学工程学院电气工程及其自动化专业 本科 学士，助理工程师，单位：国网山西省电力公司潞城市供电公司，研究方向:配电网调度控制及运行，光伏发电。
论文作者:李文静
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/18
标签：太阳能电池论文; 蓄电池论文; 电压论文; 负载论文; 组件论文; 方阵论文; 太阳能论文; 《电力设备》2016年第23期论文;