光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳电池组件和蓄电池容量，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。
１．２．４．１决定方阵发电量的因素
光照条件：太阳照在地面太阳电池方阵上的辐射光的光谱，光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，其能量在一日、一月和一年间都有很大的变化。
太阳电池方阵的光电转换效率：由于转换效率受到电池本身的温度和太阳光强、蓄电池电压浮动等因素的影响，因而方阵的输出功率也随着这些因素的改变而出现一些波动。
负载用电情况：由于用途不同，耗电功率、用电时间、对电源可靠性的要求等各不相同。有的用电设备有固定的耗电规律，如中继站、航标灯等；有些负载用电则没有规律，如水泵。
这些因素相当复杂，原则上需要对每个发电系统单独进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数来进行估量。由于考虑的因素及其复杂程度不同，采取的方法也不一样。在这里介绍一种比较简单而又实用的设计方法，这种方法不仅能说明所涉及的概念，而且对一般使用来说足够精确。
１．２．４．２太阳电池发电系统的设计步骤
1、列出基本数据
A、所有负载的名称、额定工作电压、耗电功率、用电时间、有无特殊要求等。 B、当地的地理位置：包括地名、经度、纬度、海拔等。
C、当地的气象资料：主要有逐月平均太阳总辐射量，直接辐射及散射量，年平均气温及极端气温，最长连续阴雨天数、最大风速及冰雹等特殊气候情况。这些气象数据需取积累几年或几十年的平均值。
2、确定负荷大小：算出所有负载工作电流与平均每天工作小时数相乘积之和。
Q=ΣI*H
3、选择蓄电池容量：
蓄电池储备容量的大小主要取决于负载的耗电情况，此外还要考虑现场的气候条件，环境温度，系统控制的规律性及系统失效的后果等因素，通常储备10～20天容量比较适宜。
蓄电池在太阳电池系统中处于浮充电状态，充电电流远小于蓄电池要求的正常充电电流。尤其在冬天，太阳辐射量小，蓄电池常处于欠充状态，长期深放电会影响蓄电池的寿命，故必须考虑留有一定余量，常以放电深度来表示：
d=
C?CR
(7.2) C
式中：d---放电深度 C---蓄电池标称容量 CR---蓄电池储备容量
过大的放电深度会缩短蓄电池的寿命；过小的放电深度又会增加太阳电池方阵的规模，加大总的投资成本，放电深度最大到80%较为合适。当然，随着太阳电池组件价格的下降，可以允许设计较浅的放电深度。
6
这样，确定蓄电池的储备容量CR和放电深度后，即可初步选定蓄电池的标称容量：
C=(10~20)Q
(7.3) d
式中：Q――负载每天平均总耗电量
４．决定方阵倾角：
在这里，我们来用一种较近似的方法来确定方阵倾角。一般地，在我国南方地区，方阵倾角可取比当地纬度增加10°～15°；在北方地区倾角可比当地纬度增加5°～10°，纬度较大时，增加的角度可小一些。在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，为方阵支架的设计，安装方便，方阵倾角常取成整数。
5、计算日辐射量
从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳辐射总量H，直接辐射量HB及散射辐射量Hd
且有：H～HB＋Hd
需换算成倾斜面上的太阳辐射量。
（１）．直接辐射分量HBT
HBT=HBRB
其中RB为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接辐射分量的比值。对于朝向赤道的倾斜面来说：
RB=
cos(φ?β)cosδsin(ωST)+
cosφcosδsinωS+
π180ωSTsin(φ?β)sinδ (7.6)
π180
ωSsinφsinδ式中：φ——当地纬度 β——方阵倾角 太阳赤纬：δ=23.45sin
??360
()284+n ??365??
?1
水平面上日落时角：ωS=cos
[?tanφ?tanδ]
?1
倾斜面上日落时角：ωST=minωS,cos
（2）、天空散射辐射分量HdT
在各向同性时：HdT=
{[tan(φ?β)?tanδ]}
Hd
(1+cosβ) 2
（3）、地面反射辐射分量HrT：
7
通常可将地面的反射辐射看成是各向同性的，其大小为：
HrT=
ρ2
H(1?cosβ)
其中ρ为地面反射率，其数值取决于地面状态，各种地面的反射率如下表所示： 地面状态 反射率 地面状态 反射率 地面状态 反射率
沙漠 0.24～0.28 干湿土 0.14 湿草地 0. 14～0.26
干燥裸地 0.1～0.2 湿黑土 0.08 新雪 0. 81
湿裸地 0.08～0.09 干草地 0.15～0.25 冰面 0. 69
一般计算时，可取ρ=0.2
故斜面上太阳辐射量即为：
HT=HBRB+
Hd
π(1+cosβ)+ρH(1?cosβ)
π
通常计算时用上式即可满足要求。如考虑天空散射的各向不同性，则可用下式计算：
?H?ρHB?1?
?()HT=HBRB+Hd?BRB+?1?1+cosβ?+H(1?cosβ) ??2?H0??H0?2
式中：HO为大气层外水平面上辐射量。
6、估算方阵电流：
将历年逐月平均水平面上太阳直接辐射及散射辐射量，代入以上各公式即可算出逐月辐射总量，然后求出全年平均日太阳辐射总量HT，单位化成mwh/cm，除以标准日光强即
2
求出平均日照时数：
HTmwh/cm2
Tm= 2
100mw/cm
则方阵应输出的最小电流为：
Imin=
QTm?η1?η2
式中：Q—负载每天总耗电量 η1—蓄电池充电效率
η2—方阵表面灰尘遮蔽损失
同时，由于倾斜面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最少的峰值日照数Tmin。方阵应输出的最大电流为：
8
Imax=
Q
Tmin?η1?η2
7、确定最佳电流：
方阵的最佳额定电流介于Imin和Imax这两个极限值之间，具体数值可用尝试法确定。先选定一电流值I，然后对蓄电池全年荷电状态进行检验，方法是按月求出方阵输出的发电量：
Qout=I×N×HT×η1×η2/100mw/cm2
式中：N――当月天数
而各月负载耗电量为：
Qload=N?Q
两者相减，ΔQ=Qout-Qload为止，表示该月方阵发电量大于耗电量，能给蓄电池充电。若ΔQ为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池储存的能量来补足。
如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度，就应增加方阵输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许的值，则可减少方阵电流。当然也可相应地增加或减少蓄电池容量。若有必要，还可修改方阵倾角，以求得最佳的方阵输出电流Im 。
8、决定方阵电压：
方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。方阵在任何季节的工作电压应满足：
V=Vf+Vd
式中: Vf---蓄电池浮充电压
Vd---因线路(包括阻塞二极管)损耗引起的电压降
9、最后确定功率：
由于温度升高时，太阳电池的输出功率将下降，因此要求系统即使在最高温度下也能确保正常运行，所以在标准测试温度下（25°C）方阵的输出功率应为：
P=
Im?V
1?α(tmax?25)式中：α—太阳电池功率的温度系数。对一般的硅太阳电池， α=0.5%
tmax—太阳最高工作温度。
这样，只要根据算出的蓄电池容量，太阳电池方阵的电压及功率，参照生产厂家提供的蓄电池和太阳电池组件的性能参数，选取合适的型号即可。
第三节 太阳电池发电系统设计实例
为西安地区设计一座全自动无人指导3瓦彩色电视差转站所用的太阳能电源，其工作
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条件如下：电压为24V，每天发射时间15小时，功耗20瓦，其余9小时为接收等候时间，功耗为5瓦。
1、列出基本数据： A、负载耗电情况：
工作条件 功耗 电压 每天工作时间 发射期间 5w 24v 15小时 等候期间 20w 24v 9小时
B、西安纬度：北纬34°18′东经108°56′海拔396.9米。 C、有关气象资料见后列表格。
2、确定负载大小：
每天耗电量：α=ΣΙ?h=20×15/24+9×5/24=14.4Ah
3：选择蓄电池容量：
选蓄电池容量为10天，放电深度α=75% C=10×Q/d=10×14.4/75%=205.7Ah 根据蓄电池的规格。取C=200Ah
4、决定方倾角：
因当地纬度 Φ=34°18′，取 β=Φ+10°=45°
5、计算倾斜面上各月太阳辐射总量
由气象资料查得水平面上20年各月平均太阳辐射量H，HB及Hα，计算出倾斜面上各月太阳辐射击总量，结果见下表：
月份 H HB Hα N δ RB HBT HdT HrT 1 219.0 91.6 127.4 16 -21.102.033 186.2 108.7 6.4 2 264.2 106.2 158.0 46 -18.291.899 201.7 134.9 7.7 3 327.6 123.7 203.9 75 -2.42 1.261 156.0 174.0 9.6 4 398.9 156.0 242.9 105 9.41 0.956 149.1 207.3 11.7 5 465.4 215.1 250.3 136 19.03 0.766 164.8 213.7 13.6 6 537.9 279.1 258.8 167 23.35 0.690 192.6 220.9 15.8 7 506.5 268.3 238.2 197 21.35 0.726 194.8 203.3 14.8 8 505.9 294.2 211.7 228 13.45 0.871 256.2 180.7 14.7 9 328.2 157.9 170.3 258 2.22 1.129 178.3 145.4 9.6 10 272.8 129.0 143.8 289 -9.97 1.514 195.3 122.7 8.0 11 224.3 98.6 125.7 319 -19.151.922 189.5 107.3 6.6 12 200.4 83.9 116.5 350 -23.372.173 182.3 99.4 5.9
其中：n为从一年开头算起的天数。Ｈ为水平面上的幅射量，ＨＴ为倾斜４５度平面上的幅
2
射量，单位为mwh/cm。
10
HT 301.3 344.3 339.6 368.1 392.1 429.3 412.9 451.7 333.3 326.0 303.4 287.6
太阳能电池培训手册【下】
