独立光伏电源系统设计方法

陈 涛

（苏州中来民生能源有限公司，上海 201613）

0 引 言

伴随近几年通信行业的高速发展，社会对通信电源也提出更高要求，即要求通信电源需具备较强的可靠性、稳定性，因此，太阳能电源在通信领域中得以广泛应用。实际应用过程中，如何参照区域条件，设计稳定且经济的独立光伏电源系统，对于保障通信稳定性而言具备重要意义。此外，本设计中将阴雨天气下蓄电池工作状态纳入考虑范围内。此也为本设计独特之处，为维持通信电源稳定性提供了进一步保障。

1 独立光伏电源系统作用原理及系统简介

1.1 独立光伏电源系统作用原理

自然光照射时，因光照辐射角度差异，使得太阳能电池板所采集的能量也各有不同。当太阳光以垂直角度照射于某平面时，假设截面面积为1 m2，此时入射角θ即为0°，太阳光能则会分散于截面面积内。若入射角θ为0°～90°，能量保持不变，太阳光能分散面积同入射角幅度相关，即1/cosθm2。当能量满足相应数值时，辐射数值将会伴随单位面积增加而增加。如以θ角照射，此时单位面积内所接收的能量主要受到θ角幅度大小影响，同垂直入射时相比，是垂直入射的cosθ倍。当自然光以85°角照射时，所接收能量大小同垂直照射时相比，差异较大，仅为1/12。由这些内容可知，自然光照射角度差异将会导致收集能量的差异。为获取更多能量，应尽量将光照接收面同自然光照射角度间保持垂直状态。完成能量收集后，光伏电源可通过半导体效应，将电器及机械设备无法直接使用能量转变为电能。这些电能可以作为储能装置的备用存储，也可以直接被负载使用[1]。

1.2 独立光伏电源系统简介

独立光伏电源系统主要由负载、充放电控制装置、蓄电池及光伏阵列等构成。此系统中，光伏阵列主要起到光电转换作用；充放电控制装置主要负责将由光伏阵列所供给的电能转化为可供负载或蓄电池充电直接使用的电压等级。当光伏阵列所供给电能不足时，控制装置将会借助释放蓄电池所存储电能为负载输送电能。伴随科学技术不断进步，控制装置功能也随之不断健全，如在装置中已增设逆变器功能，可实现交流电源的供给，独立电源系统应用范围得以进一步扩大。因尚未具备外部能源供给渠道，因此在设计过程中，还应对负载能耗、蓄电池、光伏阵列几者间的平衡关系加以考虑。光伏阵列输出功率在实际运行过程中受天气因素影响较大，所以配置蓄电池时应对所处地域的负载能耗需求、持续阴雨天数加以考虑。此外，为保障独立电源系统正常运行，并确保系统所产生成本效益，需定量评估性能。结合地理条件、负载功耗对系统配置要求加以明确，并选用适宜系统，同时还应采用仿真验证系统对独立光伏系统运行性能加以验证[2]。

2 独立光伏电源系统设计方法

2.1 蓄电池组容量设计方法

蓄电池为独立光伏电源系统中能量的重要储存装置，同光伏阵列配套的蓄电池工作状态多为浮充状态，蓄电池电压伴随负载用电量、阵列发电量的改变而产生变动。蓄电池容量要远大于负载所需电量。此外，环境温度也会对蓄电池所提供能量产生影响，为匹配光伏电池，对蓄电池日常维护、使用寿命均提出一定要求。因此，蓄电池的合理选取尤为必要。目前，可匹配光伏电池的蓄电池种类众多，碱性镍镉蓄电池、普通铅酸蓄电池、铅酸免维护蓄电池为使用较为普遍的3 种蓄电池类型。其中，铅酸免维护蓄电池因具备对环境污染小、“免”维护等优势在国内应用范围更加广泛，在性能可靠的光伏电源系统中可起到良好应用效果，尤其在无人值守的工作站中应用效果更为显著。蓄电池类型明确后，则应对蓄电池组容量加以计算[3]。为确保连续供电科学，计算蓄电池容量尤为必要。因蓄电池容量存在限制，如在日辐照量较高的期间内，蓄电池将会处于饱和状态中，若处于日辐照量较低期间内，蓄电池应负责向负载供给能耗，而为保障蓄电池电能供给充足，探寻最佳蓄电池容量具备重要意义。阵列发电量在不同月份均各有不同，当阵列发电量无法满足用电需求时，应以蓄电池电能予以供给。而当阵列发电量高于用电需求时，蓄电池则可储存多余电能。由此可见，设计蓄电池容量的重要依据即为阵列发电量的过剩值、不足值。此外，蓄电池还应负责连续阴雨天时负载用电需求的供给。因此，设计蓄电池容量时，还应将此阶段的能耗纳入计算范围[4]。由此，设计蓄电池容量Bc计算公式如下：

其中，A表示安全系数，取值范围在1.1～1.4；QL表示负载日均耗电量，为工作电流×每日工作小时数所得；NL表示阴雨天最长连续天数；TO表示温度修正系数，通常情况下，超出0℃取值为1，-10℃取值为1.1，低于-10℃以下取值1.2；CC表示蓄电池放电深度，铅酸蓄电池取值0.75，碱性镍镉蓄电池取值0.85。

2.2 光伏电池阵列设计方法

光伏电池阵列设计主要包括光伏电池组件串联数（NS）及光伏电池组件并联数（NP）的计算。首先为NS的计算。将光伏电池组件以相应数目串联，即可获取所需电压。为此，需保证光伏电池组件串联数目的合理。若串联数目过少，由串联所产生的电压将难以满足蓄电池浮充电压，因此，光伏阵列难以满足蓄电池电能需求。若串联数目过高，将会导致所形成电压超出浮充电压，而此时充电电流也不会显著增加。仅有当光伏电池组件串联所产生电压同浮充电压相符时，方可达到最佳充电效果。光伏电池组件串联数目计算公式如下：

其中，UR表示光伏电池阵列最小输出电压；UOC表示光伏电池组件最佳工作电压；Uf表示蓄电池浮充电压；UD表示二极管压降，通常取值0.7 V；UC表示由其它因数所导致的压降。

其次为NP的计算。NP确定前，应对相关量计算方式加以计算。第一步应将光伏电池阵列安装地区的日辐射量H1转变为标准光强下的日均辐射时数H。H1计算公式如下：

其中，2.778/10 000 h·m2/kJ 是标准光强（1 000 W/m2） 条件下的日均辐射时数的系数。第二步应计算光伏电池组件日发电量Qp，计算公式如下：

其中，IOC表示光伏电池组件最适合的工作电流；KOP表示斜面修正系数；CZ表示修正系数，主要包括充电效率、灰尘、组合等所产生的损失，通常情况下，取值0.8。第三步为计算两组最长持续阴雨天间最短间隔天数，即NW，这部分数据为本设计独特之处，将此部分数据纳入考虑范围的主要原因在于，将蓄电池在此阶段所损失的电量加以弥补，应补足蓄电池容量为Bcb，计算公式如下：

由此便可对NP加以计算，计算公式如下：

分析式（6）可知，处于并联状态的光伏电池组数，在两组连续阴雨天间隔内所生成的发电量，不仅可满足负载应用需求，同时还可弥补蓄电池在阴雨天时所损失的电量。

最后应计算光伏电池阵列功率，所得计算公式如下：

其中，PO表示光伏电池组件额定功率。

2.3 系统平衡点设计方法

为对独立光伏电源系统的正常运行加以保障，需促使负载能耗、蓄电池储存电能及日辐照量三者间处于平衡关系，故需探寻系统平衡点。为精准获取系统平衡点，应至少使此系统运行10 d，而在运行过程中则应满足如下要求：（1）应至少连续2 d 处于低辐照量；（2）至少3 d 的日辐照量间存在明显差异，同时还应保障2 d 日辐照量超出系统预设平衡点；（3）10 d 日均辐射量至少为（4±0.3）kWh/m2·d。独立光伏电源系统运行特点如图1 所示。结合图1 展开分析，系统最佳工作区域在于斜线下方、水平线上方区域内，仅有处于此区域内，方可对系统充分满足负载能耗需求予以保障。同时，图1 中斜线、直线二者间交汇位置为系统平衡点，平衡点位置横坐标即为确保系统可达到负载需求的日辐照量最低要求，借此可对独立光伏电源系统实际性能评判提供可靠参考[5-7]。

图1 独立光伏电源系统运行特点图

3 设计实例

以苏州地区某地面卫星接收站为研究对象，展开分析。此接收站功率为25 W，日均工作时长24 h，负载电压为12 V，最长阴雨天连续时长为1 5d，两组最长阴雨天最短间隔时间为30 d，所选用光伏电池工作电流为2.22 A，工作电压为17.1 V，组件额定功率为38 W。 以铅酸免维护蓄电池作为蓄电池类型，浮充电压设定为（14±1）V，苏州年均日辐射量13 099 kJ/m2，KOP值为0.885，16.13°为最佳倾角，为对蓄电池容量、光伏电池阵列功率加以计算。

首先为蓄电池容量Bc的计算。

蓄电池容量Bc=A×QL×NL×TO/CC=1.2×（25/12）× 24×15×1/0.75=1 200 Ah。

其次为光伏电池阵列功率P的计算。

由于NS=UR/UOC=（Uf+UD+UC/UOC）=（14+0.7+1）/ 17.1=0.92 ≈1，

Qp=IOC×H×KOP×CZ=2.22×13 099×（2.778/10 000）× 0.885×0.8 ≈5.72 Ah，

Bcb=A×QL×NL=1.2×（25/12）×24×15=900 Ah，QL=（25/12）×24=50 Ah，

NP=（Bcb+NW×QL）/（Qp×NW）=（900+30×50）/ （5.72×30）≈13.99，

因此，光伏电池阵列功率为P=PO×NS×NP=38× 1×13.99=531.62 W。

由计算可知，地面卫星接收站所设计蓄电池容量为1 200 Ah，光伏电池阵列功率为531.62 W。

4 结 论

在科学技术高速发展背景下，为推动通信行业进一步发展，对通信电源稳定性加以保障尤为必要。因此，本文即围绕独立光伏电源系统设计方法展开探究，以蓄电池组容量设计、光伏电池阵列设计为切入点展开具体研究，并结合苏州地域条件，对蓄电池容量、光伏电池阵列功率加以计算，为光伏电源系统设计提供数据参考。