如何设计和安装太阳能光伏系统？

太阳能光伏系统的设计与安装

今天我们的现代世界需要能源用于各种日常应用，例如工业制造、供暖、运输、农业、闪电应用等。我们的大部分能源需求通常通过以下方式来满足煤炭、原油、天然气等不可再生能源，但这些资源的利用对我们的环境造成了严重的影响。

另外，这种形式的能源资源在地球上也不是均匀分布的。市场价格存在不确定性，例如原油，因为它取决于其储量的生产和开采。由于不可再生能源的供应有限，近年来对可再生能源的需求有所增长。

太阳能一直是可再生能源的关注焦点。它以丰富的形式随时可用，并有可能满足我们整个星球的能源需求。如图 1 所示的太阳能独立光伏系统是满足我们独立于公用事业的能源需求的方法之一。因此，在下文中，我们将简要介绍用于发电的独立光伏系统的规划、设计和安装。

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独立光伏系统规划

场地评估、测量&太阳能资源评估：

由于光伏系统产生的输出因时间和地理位置而显着变化，因此为独立光伏安装选择合适的地点变得至关重要。因此，在评估和选择安装位置时必须考虑以下几点。

1. 最小阴影： 必须确保选定的屋顶或地面位置不应有阴影或不应有任何结构来拦截落在要安装的面板上的太阳辐射。此外，请确保安装周围不会有任何可能导致阴影问题的结构构造。
2. 表面积： 应该知道安装光伏装置的场地的表面积，以估计为负载产生所需功率输出所需的面板尺寸和数量。这也有助于规划逆变器、转换器和电池组的安装。
3. 屋顶： 在屋顶安装的情况下，必须知道屋顶的类型及其结构。在倾斜屋顶的情况下，必须知道倾斜角度并且必须使用必要的安装以使面板具有更多的太阳辐射入射，即理想情况下，辐射角度必须垂直于光伏面板并且实际上接近 90 度.
4. 路线： 来自逆变器、电池组、充电控制器和 PV 阵列的电缆的可能路径必须以最小化电缆利用率和降低电缆电压降的方式进行规划。设计人员应在系统的效率和成本之间做出选择。

要估算输出功率，对所选站点的太阳能评估是最重要的。日照被定义为在一段时间内特定区域接收到的太阳能量的量度。您可以使用日射强度计找到这些数据，但是这不是必需的，因为您可以在最近的气象站找到日照数据。在评估太阳能时，可以通过以下两种方式测量数据：

• 每天每平方米千瓦时（KWh/m ² /天）： 它是以千瓦时为单位的能量量，每天以平方米为单位。
• 每日高峰日照时间 (PSH)： 一天中辐照度平均为 1000 W/m ² 的小时数 .

高峰日照时间最常用，因为它们简化了计算。不要与“平均日照时间混淆 ”和“太阳高峰时段 ”你会从气象站收集。 “平均日照时数”表示日照小时数，因为“峰值日照时数”是实际接收的能量，单位为 KWh/m ² /天。在一年中的所有月份中，使用最低的平均日日照值，因为这将确保系统在由于不合适的天气条件导致太阳最少时以更可靠的方式运行。

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独立光伏系统的注意事项

能量需求计算

独立光伏系统的大小取决于负载需求。不同电器的负载及其运行时间各不相同，因此在计算能源需求时必须特别小心。负载的能耗可以通过负载的额定功率 (W) 乘以其运行小时数来确定。因此，单位可以写成瓦特×小时或简单的瓦时。

能源需求瓦特小时 =额定功率（瓦特） × 运行时间（小时）。

因此，以 Wh 为单位的每日总能源需求是通过将每个设备每天的单独负载需求相加来计算的。

总能量需求Watt-hour =∑（以Watt为单位的额定功率×以小时为单位的运行持续时间）。

系统应该针对最坏的情况设计，即能源需求最高的那一天。为最高需求设计的系统将确保系统可靠。如果系统满足峰值负载需求，它将满足最低需求。但是为最高需求设计系统会增加系统的总体成本。另一方面，系统将仅在峰值负载需求期间得到充分利用。所以，我们必须在系统的成本和可靠性之间做出选择。

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逆变器和转换器（充电控制器）评级

为了选择合适的逆变器，应指定输入和输出电压和电流额定值。逆变器的输出电压由系统负载指定，它应该能够处理负载电流和从电池组获取的电流。根据系统连接的总负载，可以指定逆变器的额定功率。

我们以 2.5 kVA 为例，因此应从市场中选择功率处理能力比负载运行功率高 20-30% 的逆变器。在电机负载的情况下，它应该比这种器具的功率需求高出3-5倍。在转换器的情况下，充电控制器的电流和电压都是额定的。其额定电流是通过使用光伏组件的短路电流额定值计算得出的。电压值与电池标称电压相同。

转换器和充电控制器尺寸调整

充电控制器额定值应为光伏板短路电流的125%。也就是说，它应该比太阳能电池板的短路电流大25%。

太阳能充电控制器尺寸安培=光伏短路电流×1.25（安全系数）。

例如，我们的系统需要 6 个数字，每个 160W 太阳能电池板。以下是光伏板的相关日期。

假设光伏组件规格如下。

• PM =160 W峰值
• 虚拟机 =17.9 VDC
• IM =8.9 A
• VOC =21.4 A
• ISC =10 A

太阳能充电控制器所需额定值为 =(4 panel x 10 A) x 1.25 =50 A

现在，12V DC 系统配置需要一个 50A 充电控制器。

注意：此公式不适用于 MPPT 太阳能充电器。请参阅用户手册或查看铭牌数据等级以了解合适的尺寸。

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逆变器尺寸调整

由于逆变器的损耗和效率问题，逆变器的尺寸应该比总负载大25%。换句话说，它的额定值应该是所需总负载的 125%（以瓦特为单位）。例如，如果需要的功率是2400W，那么逆变器的尺寸应该是：

2400W x 125%

2400W x 1.25

3000 瓦。

所以我们需要一个3kW的逆变器来应对2400W的负载。

每天向逆变器供电

让我们考虑在我们的案例中，负载的每日能源消耗为 2700 Wh。注意逆变器是有效率的，因此提供给逆变器的能量应该大于负载使用的能量，这样逆变器的损耗才能得到补偿。假设在我们的案例中效率为 90%，则电池提供给逆变器的总能量为：

电池提供给逆变器输入的能量 =2700 / 0.90 =3000 Wh/天。

系统电压

逆变器输入电压称为系统电压。它也是整个电池组的电压。该系统电压由所选的单个电池电压、线路电流、最大允许压降和电缆中的功率损耗决定。通常，电池的电压为 12 V，系统电压也是如此。但是如果我们需要更高的电压，它应该是 12 V 的倍数。即 12 V、24 V、36 V 等等。

通过降低电流，可以降低电缆中的功率损耗和电压降，这可以通过提高系统电压来实现。这将增加系列中的电池数量。因此，必须在功率损耗和系统电压之间进行选择。现在对于我们的案例，让我们考虑 24 V 的系统电压。

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电池尺寸

在调整电池大小时，需要考虑以下一些参数：

1. 电池的放电深度 (DOD)。
2. 电池的电压和安培小时 (Ah) 容量。
3. 自治天数（这是在没有太阳能电池板的情况下为整个系统（备用电源）供电所需的天数，以防完全遮荫或下雨天。我们将在下一篇文章中介绍这部分）到获得所需的 Ah 容量电池。

假设我们有 12 V、100 Ah 的电池，DOD 为 70%。因此，可用容量为 100 Ah × 0.70 =70 Ah。因此，所需的充电容量确定如下；

所需充电容量=电池提供给逆变器输入的能量/系统电压

所需充电容量 =3000 Wh/24 V =125 Ah

由此可以计算出需要的电池数量为；

没有。所需电池数量 =所需充电容量 / (100 × 0.7)

没有。所需电池数 =125 Ah / (100 × 0.7) =1.78（四舍五入 2 个电池）

因此，需要 2 节 12 V、100 Ah 的电池。但由于四舍五入需要 140 Ah 而不是 125 Ah。

所需充电容量 =2 × 100Ah × 0.7 =140 Ah

因此，将两节12V、100Ah电池并联即可满足上述充电容量。但是由于单个电池为12V，只有100Ah，系统电压要求为24V，我们需要将两个电池串联起来以获得24V的系统电压，如下图2所示：

所以，总共会有四节电池12 伏，100 安时。两个串联，两个并联。

另外，需要的电池容量可以通过以下公式求出。

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光伏阵列尺寸

市场上不同尺寸的光伏组件会产生不同水平的输出功率。确定光伏阵列尺寸的最常用方法之一是使用峰值日照时数的最低日平均日照度（太阳辐照度），如下所示；

光伏阵列总尺寸（W）=（一个负载每天的能量需求（Wh）/TPH）×1.25

其中 TPH 是每年一个月的最低日平均高峰日照时数，而 1.25 是比例因子。有了这个，所需的光伏组件Nmodules的数量可以确定为；

Nmodules =光伏阵列的总尺寸 (W) / 所选面板的额定峰值功率。

假设，在我们的例子中，负载是每天 3000 Wh。要知道太阳能电池板容量所需的总 WPeak，我们使用 PFG 因子，即

光伏电池板总容量峰值 =3000 / 3.2 (PFG)

=931 WPeak

现在，所需的光伏板数量 =931 / 160W =5.8。

这样，我们需要 6 块太阳能电池板，每块额定功率为 160W。您可以根据可用性将 WPeak 除以其他额定值（即 100W、120W 150W 等）来找到太阳能电池板的确切数量。

注意 :PFG（面板生成因子）的值 在不同地区是不同的（由于气候和温度变化），例如，美国的 PFG =3.22，欧盟 =293，泰国 =3.43 等。

此外，应考虑额外损失以找到确切的面板生成因子（PGF）。这些损失（%）是由于：

• 阳光没有直射太阳能电池板 (5%)
• 未在最大功率点接收能量（MPPT 充电控制器除外）。 (10%)
• 太阳能电池板上的污垢 (5%)
• 光伏板老化及低于规格 (10%)
• 温度高于 25°C (15%)

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电缆尺寸

电缆的尺寸取决于许多因素，例如最大载流能力。它应该具有最小的电压降和最小的电阻损耗。由于电缆将放置在室外环境中，因此它应该是防水和防紫外线的。

电缆必须表现出最小电压降，通常低于 2%，因为在低压系统中存在电压降问题。电缆尺寸不足会导致能量损失，有时甚至会导致事故。而超大尺寸在经济上是无法承受的。电缆的截面积为;

A =(ρIML / VD) × 2

在哪里

• ρ 为导线材料的电阻率（欧姆-米）。
• L 为电缆长度。
• VD 为最大允许压降。
• IM 为电缆承载的最大电流。

此外，您还可以使用此电缆和电线尺寸计算器。此外，请使用适当尺寸的断路器和额定插头和开关。

让我们为上面的例子提供一个解决的例子。

示例：

假设我们有以下以瓦特为单位的电气负载，我们需要一个 12V、120W 的太阳能电池板系统设计和安装。

• 一盏 40W 的 LED 灯，每天工作 12 小时。
• 一台 80 瓦的冰箱，每天工作 8 小时。
• 一个 60W 的直流风扇，每天工作 6 小时。

现在让我们找出太阳能电池板的数量、充电控制器、逆变器和电池等的额定值和尺寸。

求总负载

总负荷（Wh / day）

=(40W x 12 小时) + (80W x 8 小时) + (60W x 6 小时)

=1480 Wh / 每天

太阳能电池板系统所需的瓦数

=1480 Wh x 1.3 …（1.3 是系统中能量损失的系数）

=1924 Wh/天

查找太阳能电池板的尺寸和数量

太阳能电池板的峰值容量

=1924 Wh /3.2

=601.25 WPeak

所需的太阳能电池板数量

=601.25 / 120W

太阳能电池板数量 =5 个太阳能电池板模块

这样，5 块 120W 的太阳能电池板将能够满足我们的负载需求。

查找逆变器的额定值和尺寸

因为我们的系统在特定时间内只有交流负载（即没有额外的直接直流负载连接到电池），我们所需的总功率为：

= 40W + 80W + 60W 

=180W

现在，由于逆变器的损耗，逆变器的额定值应该比总负载大25%。

=180W x 2.5

逆变器额定值和尺寸 =225 W

查找电池的尺寸、额定值和数量

我们的负载功率和运行时间（以小时为单位）

=(40W x 12 小时) + (80W x 8 小时) + (60W x 6 小时)

深循环电池标称电压=12V

所需的自治天数（由电池供电，没有太阳能电池板电源）=2 天。

[(40W x 12 小时) + (80W x 8 小时) + (60W x 6 小时) / (0.85 x 0.6 x 12V)] x 2 天

电池所需容量安培小时 =483.6 Ah

这样，我们需要一个 12V 500Ah 的电池容量来实现 2 天的自治。

在这种情况下，我们可以使用 4 节 12 V、125Ah 的电池并联。

如果可用电池容量为175Ah，12 V，我们可以使用3节电池。您可以通过将所需电池容量（以安培小时为单位）除以可用电池 Ah 额定值来获得确切的电池数量。

所需电池数 = 所需电池容量（以安培小时为单位）/可用电池 Ah 额定值

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查找太阳能充电控制器的额定值和尺寸

充电控制器应比太阳能电池板短路电流大125%（或大25%）。

太阳能充电控制器尺寸Amp =PV短路电流×1.25

光伏组件规格

• PM =120 WPeak
• VM =15.9 VDC
• IM =7.5 A
• VOC =19.4 A
• ISC =8.8 A

太阳能充电控制器所需额定值为 =(5 个面板 x 8.8 A) x 1.25 =44 A

因此您可以使用下一个最近的额定充电控制器，即 45A。

请注意，此方法不能用于查找MPPT太阳能充电器的确切尺寸。请参阅制造商提供的用户手册或查看其上印制的铭牌等级。

查找电缆、CB、开关和插头载流量

使用以下工具和带有图表的说明性帖子来查找电线和电缆、开关和插头以及断路器的确切电流额定值。

• 电缆线径计算器或如何根据载流量找到合适的线径。
• 查找开关和插头的电流额定值
• 找到合适的断路器尺寸和额定值。

结论

独立光伏系统是利用太阳能这一现成的环保能源的绝佳方式。其设计和安装方便可靠，适用于小、中、大型能源需求。这样的系统使世界几乎任何地方都可以使用电力，尤其是在偏远地区。它使能源消费者独立于公用事业和其他能源，如煤炭、天然气等。

这样的系统不会对我们的环境产生负面影响，并且在安装后可以长时间提供能量。上述系统设计和安装为我们在现代世界对清洁和可持续能源的需求提供了有用的指导。

• 作者：M. Phansopkar
• 更新者：电气技术