太阳能发电系统的最佳化设计

　　Abstract：Stand－alone photovoltaicsystemsshould be of optimumsizing．This articleintroduces a concise，rational and practi－cal method．The method adopts the calculatingformula currently used abroad fordeterminingthe solarradiation on tilted sur－face．According to the days ofautonomy and the principle ofenergy equilibrium，the optimumtilt angle ofphotovoltaic arrayis obtained first and then a series of capacity combinations of photovoltaic array and battery by means of cycle calculations．Thesize of photovoltaic systems is finally determined after further economic accounting．Arelevant computer programisworked outand a calculated example presented．

　　Key words：optimumsizing；photovoltaic array；batteries；days of autonomy

　　1　前　言

　　近年来太阳能（又称光伏）发电得到了迅速的发展，在我国各种光伏系统及应用产品不断涌现，出现了前所未有的可喜局面。然而稍加分析便可看出，很多产品都没有经过仔细的最佳化设计，有的系统和产品是照猫画虎，以讹传讹；有的则根本不符合光伏发电的基本规律和工作特点，以致不能保证长期稳定可靠地运行，或者配置容量过大，造成大量浪费，影响了光伏电源的推广应用。

　　在现阶段，太阳能电池的价格还较高，光伏系统应当根据负载要求和当地的气象地理条件进行最佳化设计，通过科学的计算方法，达到可靠性和经济性的最佳结合。然而，由于光伏发电系统运行时牵涉到的影响因素很多，关系错综复杂，设计计算相当困难。一些设计方法不是十分繁杂，就是不够完善。我们在以前工作的基础上［1］，进一步做了修正和改进，总结出了一种简明合理而又实用的最佳化设计方法。

　　光伏系统按供电方式大致可分为独立系统、混合系统和并网系统三大类，本文仅讨论应用最广泛的独立光伏系统的最佳化设计。

　　2　技术条件

    2．1　负载性质

　　独立光伏系统是指没有任何辅助电源，光伏发电是唯一电力来源的电源系统。

　　实际负载的大小及使用情况等可能千变万化，从全天使用时间上来区分，大致可分为白天、晚上和白天连晚上三种负载。对于仅在白天使用的负载，多数可以由光伏系统直接供电，减少了由于蓄电池充放电等引起的损耗，所配备的光伏系统容量可以适当减小。全部晚上使用的负载其光伏系统所配备的容量就要相应增加。白天连晚上的负载所需要的容量则在两者之间。此外，从全年使用时间上来区分，大致又可分为均衡性负载、季节性负载和随机性负载。为了简化，对于月平均耗电量变化不超过10％的负载也可以当作平均耗电量都相同的均衡性负载［2］。本文仅讨论为均衡性负载供电的独立光伏系统的最佳化设计。

    2．2　影响因素的考虑

　　影响光伏系统运行的因素很多，关系十分复杂，有的书上甚至列举了几十个修正系数。实际上因为现场条件和运行情况千变万化，既无法事先逐一确定其大小，也完全没有必要区分得如此细致，可将其组合成少量几个必要的修正系数，如果需要还可加上一定的安全系数来处理。

    2．3　太阳辐照量

　　由于太阳辐射的随机性，无法确定光伏系统安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量，只能根据气象台记录的历史资料作为参考。然而，通常气象台站提供的是水平面上的太阳辐照量，需要将其换算成倾斜方阵面上的辐照量。对于一般的光伏系统而言，只要计算倾斜面上的月平均太阳辐照量即可，不必考虑瞬时（通常是逐小时）太阳辐射通量。为了将水平面上的月平均太阳辐照量换算成倾斜面上月平均太阳辐照量，不少人还一直应用Liu和Jordan在1962年提出的计算方法［3，4］。这种方法虽然计算比较简单，但实际上只有在一年中的太阳二分点（三月和九月的春秋分）才是正确的。此方法用于朝向赤道的倾斜面上月平均散射辐照量的计算结果偏小。

　　现在国外通常采用Kli