光伏发电系统设计与简易计算方法

光伏发电系统的设计与计算涉及的影响因素较多，不仅与光伏电站所在地区的光照条件、地理位置、气侯条件、空气质量有关，也与电器负荷功率、用电时间有关，还与需要確保供电的阴雨天数有关，其它尚与光伏组件的朝向、倾角、表面清洁度、环境温度等等因素有关。而这些因素中，例如光照条件、气候、电器用电状况等主要因素均极不稳定，因此严格地讲，离网光伏电站要十分严格地保持光伏发电量与用电量之间的始终平衡是不可能的。
 
       并网光伏发电系统的设计比离网光伏发电系统简单，这不仅是因为离网光伏发电系统不需要蓄电池和充电控制器，且其供电对象是较稳定的电网。故毋须考虑发电量与用电量之间的平衡，也不需要考虑负载的电阻、电感特性。通常只需根据光伏组件总功率计算其发电量。反之，根据需要的发电量设计并网发电系统设置。
 
      下面先介绍并网光伏发电系统设计及光伏组件方阵计算：
 
      一、并网光伏发电系统设计计算
 
     （一） 设计依椐：
 
       1) 光伏发电系统所在地理位置(纬度) ；
       2) 当地年平均光辐射量；
       3) 需要年发电量或光伏组件总功率或投资规模或占地面积等；
       4) 并网电网电压，相数；
 
     （二） 并网发电系统设计计算
 
       1) 发电量或组件总功率计算：
 
       年平均每天发电量g=Pm×h1×y×η (kwh) 或
       g= Pm×F(M J/m2 ) ×y×η/3.6×365×1 (kwh) 或
       g= Pm×F(kwh/m2 ) ×y×η/365 (kwh)
      平均年发电量G=g×365 (kwh)
 
      2) 并网逆变器选用：
 
      并网逆变器的选用主要根据下列要求：
      a) 逆变器额定功率=0.85-1.2Pm；
      b) 逆变器最大输入直流电压>光伏方阵空载电压；
      c) 逆变器最输入直流电压范围>光伏方阵最小电压；
      d) 逆变器最大输入直流电流>光伏方阵短路电流；
      e) 逆变器额定输入直流电压=光伏方阵最大功率电压；
       f) 额定输出电压=电网额定电压；
      g) 额定频率=电网频率；
      h) 相数=电网相数；
 
      并网逆变器的输出波形畸变、频率误差等应满足并网技术要求。此外，必须具有短路、过压、欠压保护和防孤岛效应等功能。

二、光伏组件方阵设计：
 
       (一) 光伏组件水平倾角设计：
 
        光伏组件水平倾角的设计主要取决于光伏发电系统所处纬度和对一年四季发电量分配的要求。
 
        1) 对于一年四季发电量要求基本均衡的情况，可以按以下方式选择组件倾角：
 
        光伏发电系统所处纬度
        光伏组件水平倾角
        纬度0°--- 25°
        倾角等于纬度
        纬度26°--- 40°
       倾角等于纬度加5°∽10°
       纬度 41°----55°
       倾角等于纬度加10°∽15°
       纬度>55°
       倾角等于纬度加15°∽20°
 
       2)在我国大部分地区通常可以采用所在纬度加7°的组件水平倾角。
 
       对于要求冬季发电量较多情况，可以采用所在纬度加11°的组件水平倾角。
 
       对于要求夏季发电量较多情况，可以采用所在纬度减11°的组件水平倾角。
 
       (二)光伏方阵倾角与朝向对发电量的影响：
 
        光伏方阵倾角与朝向对发电量有很大影响，一般光伏方阵应面向正南方(北半球) ，合理的倾角在前面巳论述。
 
        但在有些场合，组件的倾角和朝向不一定理想。这就会对光伏方阵的对发电量的产生明显的影响。下图是光伏方阵倾角与朝向对发电量影响的大致关系图。
 
        (三) 光伏方阵前后两排间距或与前方遮挡物之间的间距设计：
 
        光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距如果不合理设计，则会影响光伏系统的发电量，尤其在冬季。
 
        光伏方阵前后间距或与前方遮挡物之间的间距的设计与光伏系统所在纬度、前排方阵或遮挡物高度有关。
        设D-------为前后间距；
        Φ------为光伏系统所处纬度(北半球为正，南半球为负)；
        H-------为后排光伏组件底边至前排遮挡物上边的垂直高度；
        D=0.707H/tan〔arc sin(0.648cosΦ—0.399sinΦ) 〕
         举例：设Φ=32°
        D=0.707H/tan〔arc sin(0.648cos32°—0.399sinΦ32°) 〕
        =0.707H/tan〔arc sin(0.648×0.848—0.399×0.529) 〕
        =0.707H/tan〔arc sin(0.549—0.211)= 0.707H/tan〔arc sin0.338〕
        =0.707H/tan18.6°=0.707H/0.336=2.1H
 
        (四) 光伏方阵总功率与占地面积的关系：
 
        光伏方阵总功率与占地面积的关系取决于光伏组件的安装方式、光伏组件种类(晶体硅或薄膜电池)及其光伏组件光电转换效率。组件安装方式可分为两种：
 
      1) 复盖型：如复盖在坡屋面或平屋面或墙面上的安装方式。这种方式能安装的光伏方阵总功率较多。根椐组件不同光电转换率，大致如下：
      a) 晶体硅组件(光电转换率15-17%)：130—145WP/m2 ；
      b) 薄膜电池(光电转换率5-7%)：43-60 WP/m2 
      2) 锯齿型：在平屋顶或平地上安装倾斜光伏组件方式。这种安装方式，有利于提高光伏方阵的发电量。但从前面所述，为防止前排遮挡后排，前后排之间必须有一定间距。这种间距随着光伏发电系统所在纬度的增大而增加。对于我国大部分地区而言，每平方米能安装的组件功率仅为复盖型的一半。即
      a) 晶体硅组件(光电转换率15-17%)：65—72WP/m2 ；；
      b) 薄膜电池(光电转换率5-7%)：22-30WP/m2 ；
 
      有了上列各项数椐，就可以计算不同组件安装方式情况下，光伏组件总功率所需安装面积。反之，巳知面积，可以计算能安装的最大光伏方阵总功