地球上各地區(qū)受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化,其規(guī)律與太陽照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天,方陣就幾乎不能發(fā)電,只能靠蓄電池來供電,而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補充好。設計者多數(shù)以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數(shù)的平均值作為設計的主要數(shù)據(jù)。由于一個地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同,為可靠起見應取近十年內的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負載的耗電情況,在日照和無日照時,均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總日照時數(shù)對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。 對太陽能電池方陣而言,負載應包括系統(tǒng)中所有耗電裝置(除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等)的耗量。 方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關,串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓,并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流,適當數(shù)量的組件經(jīng)過串并聯(lián)即組成所需要的太陽能電池方陣。
太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下,其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配,要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。
1.蓄電池的選用 能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多,目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內目前主要使用鉛酸免維護蓄電池,因為其固有的“免”維護特性及對環(huán)境較少污染的特點,很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng),特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護及其環(huán)境污染較大,所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能,但由于其價格較高,僅適用于較為特殊的場合。
2.蓄電池組容量的計算 蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內,方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份,要靠蓄電池的電能給以補足;在超過用電需要的月份,是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值,是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣,連續(xù)陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以,這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此,蓄電池的容量BC計算公式為:BC=A×QL×NL×TO/CCAh穴1雪式中:A為安全系數(shù),取1.1~1.4之間; QL為負載日平均耗電量,為工作電流乘以日工作小時數(shù);NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù);TO為溫度修正系數(shù),一般在0℃以上取1,-10℃以上取1.1,-10℃以下取1.2;CC為蓄電池放電深度,一般鉛酸蓄電池取0.75,堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
3 太陽能電池方陣設計
3.1.太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns 太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來,就可獲得所需要的工作電壓,但是,太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當。串聯(lián)數(shù)太少,串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓,方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時,充電電流也不會有明顯的增加。因此,只有當太陽能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時,才能達到最佳的充電狀態(tài)。 計算方法如下:Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc(2)式中:UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓; Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓;Uf為蓄電池浮充電壓;UD為二極管壓降,一般取0.7V;UC為其它因數(shù)引起的壓降。 電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關,應等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池數(shù)。
3.2.太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np 在確定NP之前,我們先確定其相關量的計算方法。 (1)將太陽能電池方陣安裝地點的太陽能日輻射量Ht,轉換成在標準光強下的平均日輻射時數(shù)H:H=Ht×2.778/10000h(3)式中:2.778/10000(hm2/kJ)為將日輻射量換算為標準光強(1000W/m2)下的平均日輻射時數(shù)的系數(shù)。 (2)太陽能電池組件日發(fā)電量Qp Qp=Ioc×H×Kop×CzAh穴4雪式中:Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流;Kop為斜面修正系數(shù);Cz為修正系數(shù),主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失,一般取0.8。 (3)兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw,此數(shù)據(jù)為本設計之獨特之處,主要考慮要在此段時間內將虧損的蓄電池電量補充起來,需補充的蓄電池容量Bcb為:Bcb=A×QL×NLAh穴5雪 (4)太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計算方法為:Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)穴6雪式(6)的表達意為:并聯(lián)的太陽能電池組組數(shù),在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內所發(fā)電量,不僅供負載使用,還需補足蓄電池在最長連續(xù)陰雨天內所虧損電量。
3.3.太陽能電池方陣的功率計算 根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù),即可得出所需太陽能電池方陣的功率P:P=Po×Ns×NpW(7)式中:Po為太陽能電池組件的額定功率。 設計實例 以某地面衛(wèi)星接收站為例,負載電壓為12V,功率為25W,每天工作24h,最長連續(xù)陰雨天為15d,兩最長連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為30d,太陽能電池采用云南半導體器件廠生產的38D975×400型組件,組件標準功率為38W,工作電壓17.1V,工作電流2.22A,蓄電池采用鉛酸免維護蓄電池,浮充電壓為(14±1)V。其水平面太陽輻射數(shù)據(jù)參照表1,其水平面的年平均日輻射量為12110(kJ/m2),Kop值為0.885,最佳傾角為16.13°,計算太陽能電池方陣功率及蓄電池容量。
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