家用离网型太阳能光伏发电系统设计

光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic，BIPV）是太阳能光伏发电的新型应用方式，把太阳能发电系统与建筑物（屋顶或墙面）相结合，将太阳能转换成电能为建筑内各种负载供能。与传统光伏发电系统应用相比，BIPV系统有效的利用阳光照射空间，能够节省土地资源，减少电能传输与分布的成本和损失。而我国长三角地区人口密集、能耗巨大，土地资源稀缺，在城市中应用和推广BIPV系统具有很大发展潜力和深远意义。

1.光伏建筑一体化

一个典型的离网型BIPV系统主要由光伏组件方阵、充放电控制器、逆变器、蓄电池组和用户端等组成。该系统将光伏组件方阵所接受的太阳能作为系统唯一的能量来源。通过光伏方阵将太阳的辐射能转换为直流电能，再经过控制器稳压后一部分直接送入逆变器，输出交流电提供家庭交流负载使用；另一部分由控制器输出后供直流负载使用，多余的电能则通过控制器储存在蓄电池中。在遇到连续多云或阴雨天气时，光伏方阵输出电能不够，由蓄电池组向负载提供电能。

2.光伏发电系统设计原则

光伏发电系统的设计是否合理主要取决于设计理论容量和负载实际需求之间是否有偏差。若设计容量大于实际容量，势必导致系统成本过高和不必要的资源浪费；若设计容量小于实际容量，则会使系统实用性和可靠性降低。如何设计一个合理的家用离网型光伏发电系统，需要考虑的因素很多，包括地理条件、气象因素、建筑物结构、负载用电需求、连续阴雨天气等等，设计之初主要以“光伏发电量满足负载用电量”为原则。离网型光伏发电系统设计一是光伏发电系统的容量设计，主要是计算出满足系统用电要求及可靠工作的光伏方阵和蓄电池组容量；二是系统的配置设计，目的是选出适合系统的配置、设施及材料等，并与前期的容量设计相匹配。

3.离网型光伏发电系统设计方法和主要配置

（1）地理条件和气象数据收集

无论是设计离网系统还是并网系统，首先要收集现场的气候地理数据。文章所涉及的家用离网型光伏发电系统选址是位于东经120.13、北纬33.38的江苏省盐城市经济开发区内。盐城地处江苏北部，计算得全年平均日照时数为2293.5小时，日平均日照时数为6.28小时，年辐射总量为116.2～121.0千卡/cm2，峰值日照时数为5.2小时。光伏发电系统的安装地点直接影響系统的整体设计，建筑物（屋顶或墙壁）可利用敷设光伏组件的有效面积，决定着光伏方阵的最大容量。家用光伏发电系统设计之初必须要进行实地考察，再选择合理的设计方案。文章所涉系统经实地考察发现建筑周围近距离内无高大建筑遮挡，光照条件充足，并且建筑物坐北朝南，结构上有足够空间敷设光伏组件，适合安装太阳能光伏发电系统。

（2）负载分析

实际负载的大小及使用情况等等可能千变万化，不同类型的负载在计算时需要考虑的因素不同，首先要分析负载特性，判断是直流负载还是交流负载，是冲击性负载还是非冲击性负载，是白天负载、夜晚负载还是连续使用负载等。

工程设计时，为了准确地计算出负载实际耗电量，对负载特性判定是必不可少的，因为电池阵列的容量由负载的实际功率决定，蓄电池组的容量由负载的实际耗电量决定的。计算负载耗电量必须列出系统中所有用电器的功率、数量、日平均工作时间，还要考虑可能遇到连续阴雨天数等。本系统中所涉及用电器使用情况如表1所示。

（3）蓄电池组设计

蓄电池成本占离网型光伏系统总成本的1/3，直接系统使用寿命，选型时必须考虑以下因素：使用寿命长、充放电效率高、自放电率低、深放电能力强、少维护或免维护、工作温度范围宽、价格低廉。目前，光伏发电系统主要使用密封胶体免维护铅酸蓄电池，本系统蓄电池组容量计算如下：蓄电池组容量（Ah）=4天连续阴雨天日平均耗电量（Wh）/（系统工作电压*放电深度*逆变效率），其中系统工作电压取24V，放电深度取0.75，逆变效率取85%，计算得蓄电池组容量为800 Ah，所以选用48只400Ah/2V的蓄电池，12只串联，2只并联。

（4）太阳能电池方阵设计

太阳能电池方阵是光伏发电系统的核心部分。即使满足同样的负载耗电量，不同光照条件的地区选用太阳能电池的容量也是不同的。式1为太阳能电池方阵峰值功率计算公式

其中，QL为负载日耗电量，单位wh。Tm为平均峰值日照时间，单位h。将QL=2595wh，Tm=4h代入式1，计算得太阳能电池方阵峰值功率为970w。本例选用6块200W/12V的电池组件，3块串联，2块并联。另外，影响光伏方阵发电量的还有方阵安装的倾斜角和方位角。文章设计建筑屋顶为平顶，并且有足够大空间敷设电池组件，因此不考虑空间限制，根据工程设计经验，选取倾斜角为38°（盐城地区纬度+5°），方位角为接受太阳辐射能最多，发电量最大的正南0°。

（5）逆变器选型

独立光伏发电系统中，逆变器与蓄电池通常是相连的，电压输入相对稳定。逆变器的波形主要有正弦波、准正弦波和方波三种。1kW以上的小功率光伏发电系统一般选用正弦波逆变器。式2为逆变器功率计算公式逆变器功率=阻性负载功率×（1.2～1.5）+感性负载×（5～7） （式2）

将表1数据带入式2计算，选用PSI-1000型正弦波逆变器。

（6）控制器选型

太阳能光伏控制器控制整个系统的工作状态，对蓄电池起到过充过放电保护、短路保护、防反接保护的作用，在太阳能离网型光伏发电系统中是不可缺少的。控制器所能承受的方阵最大电流为1.25*组件的短路电流*组件的并联数，最大负载电流为1.25*负载功率/（0.8*系统工作电压），最终选择合肥阳光公司生产的SD24100型控制器。

4.结束语

文章用量化数据阐述了家用离网型光伏发电系统的设计原则，归纳了设计步骤，并给出设计和配置参数，为后人提供设计借鉴，对应用和推广光伏建筑一体化系统有重要指导意义。

（作者单位：盐城工业职业技术学院）

作者简介

王影星，女，1987年8月，硕士研究生，盐城工业职业技术学院。