近年來太陽能（又稱光伏）發電得到了迅速的發展，在我國各種光伏系統及應用產品不斷涌現，出現了前所未有的可喜局面。然而稍加分析便可看出，很多產品都沒有經過仔細的最佳化設計，有的系統和產品是照貓畫虎，以訛傳訛；有的則根本不符合光伏發電的基本規律和工作特點，以致不能保證長期穩定可靠地運行，或者配置容量過大，造成大量浪費，影響了光伏電源的推廣應用。
在現階段，太陽電池的價格還較高，光伏系統應當根據負載要求和當地的氣象地理條件進行最佳化設計，通過科學的計算方法，達到可靠性和經濟性的最佳結合。然而，由于光伏發電系統運行時牽涉到的影響因素很多，關系錯綜復雜，設計計算相當困難。一些設計方法不是十分繁雜，就是不夠完善。我們在以前工作的基礎上［1］，進一步做了修正和改進，總結出了一種簡明合理而又實用的最佳化設計方法。
光伏系統按供電方式大致可分為獨立系統、混合系統和并網系統三大類，本文僅討論應用最廣泛的獨立光伏系統的最佳化設計。
2 技術條件
2．1 負載性質
獨立光伏系統是指沒有任何輔助電源，光伏發電是唯一電力來源的電源系統。
實際負載的大小及使用情況等可能千變萬化，從全天使用時間上來區分，大致可分為白天、晚上和白天連晚上三種負載。對于僅在白天使用的負載，多數可以由光伏系統直接供電，減少了由于蓄電池充放電等引起的損耗，所配備的光伏系統容量可以適當減小。全部晚上使用的負載其光伏系統所配備的容量就要相應增加。白天連晚上的負載所需要的容量則在兩者之間。此外，從全年使用時間上來區分，大致又可分為均衡性負載、季節性負載和隨機性負載。為了簡化，對于月平均耗電量變化不超過10％的負載也可以當作平均耗電量都相同的均衡性負載［2］。本文僅討論為均衡性負載供電的獨立光伏系統的最佳化設計。
2．2 影響因素的考慮
影響光伏系統運行的因素很多，關系十分復雜，有的書上甚至列舉了幾十個修正系數。實際上因為現場條件和運行情況千變萬化，既無法事先逐一確定其大小，也完全沒有必要區分得如此細致，可將其組合成少量幾個必要的修正系數，如果需要還可加上一定的安全系數來處理。
2．3 太陽輻照量
由于太陽輻射的隨機性，無法確定光伏系統安裝后方陣面上各個時段確切的太陽輻照量，只能根據氣象臺記錄的歷史資料作為參考。然而，通常氣象臺站提供的是水平面上的太陽輻照量，需要將其換算成傾斜方陣面上的輻照量。對于一般的光伏系統而言，只要計算傾斜面上的月平均太陽輻照量即可，不必考慮瞬時（通常是逐小時）太陽輻射通量。為了將水平面上的月平均太陽輻照量換算成傾斜面上月平均太陽輻照量，不少人還一直應用Liu和Jordan在1962年提出的計算方法［3，4］。這種方法雖然計算比較簡單，但實際上只有在一年中的太陽二分點（三月和九月的春秋分）才是正確的。此方法用于朝向赤道的傾斜面上月平均散射輻照量的計算結果偏小。
現在國外通常采用Klien和Theilacker提出的計算傾斜面上月平均太陽輻照量的方法［5，6］，其計算方法是：
2．4 方陣傾角
固定式光伏方陣，應盡可能朝向赤道傾斜安裝，這樣一是可以增加全年接收到的太陽輻照量，二還能提升冬季方陣面上的太陽輻照量，而同時降低夏季的輻照量。這對于以蓄電池為儲能裝置的獨立光伏系統是十分重要的?，F在，有不少太陽能草坪燈等類光伏產品的太陽電池采用水平安裝，這些產品本身容量比較緊張，更不應該采用水平安裝的方式。
對于光伏方陣的傾角，有些資料提出等于當地緯度，或當地緯度加上5°～15°［7］，顯然這是不合適的。實際上，即使緯度相同的兩個地方，其太陽輻照量的大小及組成往往相差很大，如拉薩和重慶的緯度基本相同（僅差0．18°），而水平面上的太陽輻照量卻要相差一倍以上，顯然加上相同的度數作為方陣傾角是不妥當的。
不少資料提出了確定方陣最佳傾角的方法，然而由于現代計算技術的進步，可以通過一定的計算方法，在滿足負載用電要求的條件下，比較各種不同的傾角所需配置的太陽電池方陣和蓄電池容量的大小，從而決定方陣的最佳傾角。
事實上，設計時對于不同的蓄電池維持天數，要求的系統累計虧欠量不一樣，最佳傾角也不一定相同（見表1），所以不必事先確定。
2．5 溫度影響
眾所周知，在太陽電池溫度升高時，其開路電壓要下降，輸出功率會減少。所以，有些設計方法在最后確定方陣容量時，考慮太陽電池溫度系數的影響，從而增大容量［1，7］。然而，這種把方陣當作全年都處在最高溫度下工作，顯然是個保守的方法。實際上，現在常用的36片太陽電池串聯為12 V蓄電池充電的標準組件，已經考慮了夏天溫度升高的影響。而且，通常夏天太陽輻射強度較大，方陣發電量常有盈余，完全可以彌補由于溫度升高所減少的電能，因此在計算太陽電池容量時可以不必考慮溫度的影響。在特殊情況下，只要增加系統的安全系數即可。不過在溫度較低時，蓄電池輸出容量要受到影響，在冬天工作溫度低于0℃時，應適當加以考慮。
2．6 蓄電池維持天數
通常是指沒有光伏方陣電力供應的情況下，完全由蓄電池儲存的電量供給負載所能維持的天數。有的資料建議在3～6d中選?。?］，也可參考當地年平均連陰雨天數等因素而定。
2．4 方陣傾角
固定式光伏方陣，應盡可能朝向赤道傾斜安裝，這樣一是可以增加全年接收到的太陽輻照量，二還能提升冬季方陣面上的太陽輻照量，而同時降低夏季的輻照量。這對于以蓄電池為儲能裝置的獨立光伏系統是十分重要的?，F在，有不少太陽能草坪燈等類光伏產品的太陽電池采用水平安裝，這些產品本身容量比較緊張，更不應該采用水平安裝的方式。
對于光伏方陣的傾角，有些資料提出等于當地緯度，或當地緯度加上5°～15°［7］，顯然這是不合適的。實際上，即使緯度相同的兩個地方，其太陽輻照量的大小及組成往往相差很大，如拉薩和重慶的緯度基本相同（僅差0．18°），而水平面上的太陽輻照量卻要相差一倍以上，顯然加上相同的度數作為方陣傾角是不妥當的。
不少資料提出了確定方陣最佳傾角的方法，然而由于現代計算技術的進步，可以通過一定的計算方法，在滿足負載用電要求的條件下，比較各種不同的傾角所需配置的太陽電池方陣和蓄電池容量的大小，從而決定方陣的最佳傾角。
事實上，設計時對于不同的蓄電池維持天數，要求的系統累計虧欠量不一樣，最佳傾角也不一定相同（見表1），所以不必事先確定。
2．5 溫度影響
眾所周知，在太陽電池溫度升高時，其開路電壓要下降，輸出功率會減少。所以，有些設計方法在最后確定方陣容量時，考慮太陽電池溫度系數的影響，從而增大容量［1，7］。然而，這種把方陣當作全年都處在最高溫度下工作，顯然是個保守的方法。實際上，現在常用的36片太陽電池串聯為12 V蓄電池充電的標準組件，已經考慮了夏天溫度升高的影響。而且，通常夏天太陽輻射強度較大，方陣發電量常有盈余，完全可以彌補由于溫度升高所減少的電能，因此在計算太陽電池容量時可以不必考慮溫度的影響。在特殊情況下，只要增加系統的安全系數即可。不過在溫度較低時，蓄電池輸出容量要受到影響，在冬天工作溫度低于0℃時，應適當加以考慮。
2．6 蓄電池維持天數
通常是指沒有光伏方陣電力供應的情況下，完全由蓄電池儲存的電量供給負載所能維持的天數。有的資料建議在3～6d中選?。?］，也可參考當地年平均連陰雨天數等因素而定。
式中：η1為從方陣到蓄電池回路的輸入效率，包括方陣面上的灰塵遮蔽損失、性能失配、防反充二極管及線路損耗、蓄電池充電效率等；η2為由蓄電池到負載的放電回路效率，包括蓄電池放電效率、控制器和逆變器的效率及線路損耗等。
同樣也可由方陣面上各月太陽輻照量中的最小值Ht·min得出方陣所需輸出的最大電流為：
3.4 確定累計虧欠量∑｜－ΔQi｜
以兩年為單位，列出各月發電盈虧量，如只有一個△Q＜0的連續虧欠期，則累計虧欠量即為該虧欠期內各月虧欠量之和。如有兩個或以上的不連續△Q＜0的虧欠期，則累計虧欠量∑｜－ΔQi｜應扣除連續兩個虧欠期之間ΔQi為正的盈余量，最后得出累計虧欠量∑｜－ΔQi｜。
5 結 論
獨立光伏系統必須進行最優化設計，綜合考慮其可靠性和經濟性指標，最終確定最佳的太陽電池方陣和蓄電池容量組合。
計算傾斜面上月平均太陽輻照量，可采用Klien和Theilacker提出的計算方法。
方陣的最佳傾角按照負載的性質、當地的氣象及地理條件以及滿足蓄電池維持天數等條件的不同而改變，可以通過比較不同角度時滿足負載要求的最小容量配置來確定。通常對于不同的蓄電池維持天數，其方陣的最佳傾角不一定相同。
一般情況下，溫度對于光伏方陣工作的影響可以不必考慮。
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