1引言

經(jīng)過光伏工作者們堅持不懈的努力，太陽能電池的生產(chǎn)技術不斷得到提高,，并且日益廣泛地應用于各個領域,。特別是郵電通信方面，由于近年來通信行業(yè)的迅猛發(fā)展,，對通信電源的要求也越來越高,，所以穩(wěn)定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領域,。而如何根據(jù)各地區(qū)太陽能輻射條件,，來設計出既經(jīng)濟而又可靠的光伏電源系統(tǒng)，這是眾多專家學者研究已久的課題,，而且已有許多卓越的研究成果,，為我國光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。筆者在學習各專家的設計方法時發(fā)現(xiàn),，這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時間（即最長連續(xù)陰雨天）,，而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時間（即兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)）。這個問題尤其在我國南方地區(qū)應引起高度重視,，因為我國南方地區(qū)陰雨天既長又多,，而對于方便適用的獨立光伏電源系統(tǒng)，由于沒有應急的其他電源保護備用,，所以應該將此問題納入設計中一起考慮,。

本文綜合以往各設計方法的優(yōu)點，結合筆者多年來實際從事光伏電源系統(tǒng)設計工作的經(jīng)驗,，引入兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設計的依據(jù)之一,，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽能電池,、蓄電池容量的計算公式,，及相關設計方法。

2影響設計的諸多因素

太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜,、光強受到大氣層厚度（即大氣質(zhì)量）,、地理位置,、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響,，其能量在一日,、一月和一年內(nèi)都有很大的變化，甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別,。

太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率,，受到電池本身的溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響,，而這三者在一天內(nèi)都會發(fā)生變化,，所以太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。

蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的,，其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化,。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。

太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成,，它本身也需要耗能,，而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關系到耗能的大小,，從而影響到充電的效率等,。

負載的用電情況，也視用途而定,，如通信中繼站,、無人氣象站等，有固定的設備耗電量,。而有些設備如燈塔,、航標燈、民用照明及生活用電等設備,，用電量是經(jīng)常有變化的,。

因此，太陽能電源系統(tǒng)的設計,，需要考慮的因素多而復雜,。特點是：所用的數(shù)據(jù)大多為以前統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，各統(tǒng)計數(shù)據(jù)的測量以及數(shù)據(jù)的選擇是重要的,。

設計者的任務是：在太陽能電池方陣所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場的地理位置,、太陽輻射能、氣候,、氣象,、地形和地物等），設計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟效益,，又要保證系統(tǒng)的高可靠性,。

某特定地點的太陽輻射能量數(shù)據(jù),，以氣象臺提供的資料為依據(jù)，供設計太陽能電池方陣用,。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值,。

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(nèi)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?cè)照諘r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,。

3蓄電池組容量設計

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(nèi)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(nèi),，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(1)

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,。

4太陽能電池方陣設計

（1）太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns

將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,。

表1我國主要城市的輻射參數(shù)表

蓄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),。

（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(zhuǎn)換成在標準光強下的平均日輻射時數(shù)H（日輻射量參見表1）：

H=Ht×2.778／10000h（3）

式中：2.778／10000（h·m2/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(4)

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)（參照表1）,；

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(nèi)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(5)

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）(6)

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(nèi)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(nèi)所虧損電量。

(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,。

5設計實例

以廣州某地面衛(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(chǎn)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。

（1）蓄電池容量Bc

Bc=A×QL×NL×To/CC

=1.2×（25/12)×24×15×1/0.75

=1200Ah

（2）太陽能電池方陣功率P

因為：

Ns=UR/Uoc=（Uf＋UD＋UC）/Uoc

=（14＋0.7＋1）/17.1=0.92≈1

Qp=Ioc×H×Kop×Cz

=2.22×12110×（2.778/10000）×0.885×0.8

≈5.29Ah

Bcb=A×QL×NL

=1.2×(25/12)×24×15=900Ah

QL=(25/12)×24=50Ah

Np=（Bcb＋Nw×QL）/(Qp×Nw）

=(900＋30×50)/(5.29×30)≈15

故太陽能電池方陣功率為：

P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W

（3）計算結果

該地面衛(wèi)星接收站需太陽能電池方陣功率為570W,，蓄電池容量為1200Ah,。