3. 光控太阳能照明系统优化设计方法
优化设计的原则是：在保证满足负载长期可靠运行需要的前提条件下，尽量减少系统规模，节省投资，达到可靠性与经济性的最佳结合。对于光控太阳能照明系统的优化设计方法，基本上与很多文献[2~4 ]所介绍的为全年均衡负载供电的独立光伏系统优化设计方法相同，主要差别在于前者一年中的日耗电量每天都不一样。由于设计时通常是以每个月份为单位来计算其能量盈亏的，为了方便起见，可以近似认为在每个月中平均日耗电量都相同。
光控太阳能照明系统的优化设计步骤大致为：
3．1 确定负载日耗电量
特别要注意根据公式（1）和（2）来确定各月的日耗电量。
特别要注意根据公式（1）和（2）来确定各月的日耗电量。
3．2 计算某个倾角时方阵面上太阳辐照量
任意指定方阵倾角，依照国外通常采用Klien和Theilacker 提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法进行计算，具体计算公式可参阅文献[5，6]
3．3 算出各月发电盈亏量
根据各月的太阳辐照量和在估计最大和最小电流之间任取的工作电流，再结合各种损耗，得出各月发电量与耗电量之差即为发电盈亏量。
3．4 确定累计亏欠量 ∑∣-⊿Qi∣
将各月发电量与耗电量相减得到负值的亏欠量按一定规则相加，确定累计亏欠量。
3．5 决定方阵输出电流
与日耗电量相比，得到指定的蓄电池维持天数所需要的合适电流。
3．6 求出方阵最佳倾角
改变倾角，重复以上计算，进行比较，得出最小的方阵输出电流所对应的倾角。
3．7 得出蓄电池及方阵容量
这样蓄电池容量为：
（4） 式中：（DOD）为蓄电池放电深度，η2为由蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池放电效率、控制器和逆变器的效率及线路损耗等。
光伏方阵容量为
P = k · I m · ( V b + V d ) （5）
其中：k为安全系数；V b为蓄电池充电电压；V d 为防反充二极管及线路等压降。
3．8 最终决定最佳搭配
改变蓄电池维持天数，重复以上计算，可得到一系列B ~ P组合。再根据产品型号及单价等因素，进行经济核算，最后决定蓄电池及光伏方阵容量的最佳组合。
4. 计算实例
为上海地区（Φ = 31.170）设计一种太阳能光控照明灯具，负载工作电流 i = 0.55A，工作电压12V。取蓄电池维持天数为7天，取日耗电量最大的12月份为计算依据。通过优化设计，得到方阵最佳倾角β= 480，而对于在相同条件下工作的为全年均衡负载供电的独立光伏系统的最佳倾角是430，可见光控系统比一般系统方阵倾角要大，这主要是为了增加冬天所接收的太阳辐照量。优化设计得到的方阵最佳工作电流为 I = 2.485A。各月具体结果如表1。
由此得出累计亏欠量: ∑∣-⊿Qi∣= 49.72 Ah，通过验算可知取其它倾角时，所得到的累计亏欠量更大，因此方阵最佳倾角为480。取由蓄电池到负载的放电回路效率η2 = 0.9，蓄电池的放电深度（DOD）= 0.8，根据公式（4）得到蓄电池容量B=69.1Ah。实际可采用70Ah / 12V。再由公式
（5）算出光伏方阵容量为P = 42.87W，实际取太阳电池方阵容量为43W。当然也可以改变蓄电池维持天数，从而得到另外一组蓄电池和太阳电池方阵容量的组合。
（5）算出光伏方阵容量为P = 42.87W，实际取太阳电池方阵容量为43W。当然也可以改变蓄电池维持天数，从而得到另外一组蓄电池和太阳电池方阵容量的组合。
表1 各月光伏方阵发电及其盈亏量
Table 1. The amount of electricity-generating and its surplus for each month
|
月份
|
太阳辐照量
HT / KWh·m-2 |
工作时间
t-1 / h |
日耗电量
QL / Ah |
月耗电量
Q c / Ah |
月发电量
Q g / Ah |
月盈亏量
ΔQ / Ah |
|
1 |
3.1276 |
12.78 |
7.03 |
217.93 |
196.17 |
-21.76 |
|
2 |
2.2108 |
12.07 |
6.64 |
185.92 |
179.93 |
-5.99 |
|
3 |
3.4018 |
11.19 |
6.15 |
190.65 |
208.27 |
17.62 |
|
4 |
3.5368 |
10.23 |
5.63 |
168.90 |
206.77 |
37.87 |
|
5 |
3.6468 |
9.42 |
5.18 |
160.58 |
218.07 |
57.49 |
|
6 |
3.4966 |
9.01 |
4.96 |
148.80 |
201.78 |
52.98 |
|
7 |
4.2828 |
9.19 |
5.05 |
156.55 |
254.44 |
97.89 |
|
8 |
4.5155 |
9.89 |
5.44 |
168.64 |
270.86 |
102.22 |
|
9 |
3.5708 |
10.82 |
5.95 |
178.50 |
210.43 |
31.83 |
|
10 |
3.6771 |
11.78 |
6.48 |
200.88 |
227.33 |
26.45 |
|
11 |
3.4282 |
12.59 |
6.92 |
207.60 |
207.61 |
0.01 |
|
12 |
3.1662 |
12.99 |
7.14 |
221.34 |
199.37 |
-21.97 |
5．结论
1.本文主要讨论光伏电力作为唯一能源的独立系统，以自然光的强弱来控制照明灯具开关的光控太阳能照明系统的优化设计。
2.光控太阳能照明系统的工作条件极其苛刻，不能当作为全年均衡负载供电的独立光伏系统来处理。必须根据其特点，进行仔细的系统优化设计，才能确保其长期稳定地工作。
3.系统设计可以根据当地不同月份的日落和日出之间的无日照小时数减1，来作为光控太阳能照明系统的工作时间，以确定其各月不同的负载日耗电量。
4.在确定系统的蓄电池维持天数时，由于各月的日耗电量都不一样，考虑安全起见，可以取最大的日耗电量作为计算依据。
5.由于光控太阳能照明系统在冬天的耗电量多，所以安装的方阵最佳倾角要比一般的独立光伏系统的倾角要大。
参考文献
[1]杨金焕等. 季节性负载光伏方阵倾角的分析[J].太阳能学报，2003，24（2）：241~244.
[2]Chapman R N. Development of sizing nomograms for stand-alone photovoltaic / storage systems [J]Solar Energy，1989，43（2）：71~76.
[3]Gordon J M. Optimal sizing of stand-alone PV solar power systems [J]. Solar Cells，1989，43（2）：71~76.
[4]杨金焕等. 太阳能发电系统的最佳化设计[J].能源工程，2003，6（即将出版）
[5]Klien S A，Theilacker J C. An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces [J]. Journal of Solar Energy Engineering, 1981,103:29~33
[6]Duffie J A, Backman W A. Solar engineering of thermal processes [M]. New York: John Wiley &Sons. INC, 1991:113~119
