太陽能光伏儲能項目解析及常用的一些計算公式

一、太陽能光伏儲能項目解析

圖1 光伏儲能圖

一、什么是光伏儲能系統

（一）光伏儲能的定義

光伏儲能系統，又稱太陽能光伏儲能系統，是一種將太陽能光伏發電與儲能技術相結合的重要能源利用方式。該系統通過光伏電池板將太陽能轉化為電能，并利用儲能設備（如電池組）將這些電能儲存起來，以便在需要的時候供應電力。

圖二 光伏儲能示例圖

（二）光伏儲能與光伏發電的關系

?光伏儲能與光伏發電的關系是相輔相成的，通過將儲能技術與光伏發電相結合，可以形成光儲一體化系統，帶來諸多優勢并解決實際問題。

光伏發電依賴于太陽光的照射，具有明顯的間歇性和波動性，即在日照充足時發電量大，而在夜間或陰天時發電量減少甚至為零。這種特性導致光伏發電的輸出功率與電網的需求之間存在不匹配的問題，可能引起電網的不穩定。為了解決這一問題，提高電力系統的穩定性和可靠性，儲能系統的引入變得尤為重要。儲能系統可以通過充放電操作，有效平滑光伏發電的輸出波動，提高電網穩定性。在電力負荷高峰時釋放儲存的電能，可以減輕電網壓力；在負荷低谷時充電儲存多余電能，實現削峰填谷效果。通過合理配置儲能系統容量和功率，還可以降低電網運行成本并提高整體經濟效益。

圖3 ?光伏儲能與光伏發電關系

二、光伏發電如何進行儲能

（一）光伏儲能系統工作原理

?光伏儲能系統的工作原理主要包括光伏發電和儲能兩個過程。

光伏發電過程利用光電效應將光能轉化為電能。在光伏電池中，當太陽光照射到半導體材料上時，光子的能量導致材料中的電子被激發，從而產生電流。光伏電池一般由多個組件組成，每個組件包含許多太陽能電池片，這些電池片通過串聯或并聯的方式組裝在一起，以提供更高的電壓和電流。整個光伏發電過程是通過光伏電池片將太陽能轉化為直流電的過程。

圖4 光伏儲能用電一體化圖

（二）光伏儲能系統組成

光伏儲能系統作為現代可再生能源利用的重要組成部分，集成了光電轉換、電能儲存、系統控制、逆變轉換、能量管理、電網互動及應急備用等多種關鍵技術，實現了太陽能的高效收集、存儲與靈活利用。以下是對光伏儲能系統主要組成部分的詳細闡述：

（1）光電轉換

光電轉換是光伏儲能系統的起點，主要通過光伏電池（也稱太陽能電池板）實現。光伏電池利用半導體材料的光電效應，將太陽光直接轉換為直流電能。當太陽光照射到光伏電池表面時，光子激發半導體材料中的電子，形成電流，完成從光能到電能的轉換。這一過程無需燃料，清潔無污染，且資源近乎無限。

（2）電能儲存

由于太陽光的間歇性，光伏電池產生的電能具有不穩定性，因此需要通過電能儲存環節進行調節。電能儲存主要通過電池組（如鋰離子電池、鉛酸電池等）實現，這些電池能夠在光照充足時儲存多余的電能，在光照不足或夜晚時釋放電能供負載使用。電能儲存系統的容量和效率直接影響到整個光伏儲能系統的運行穩定性和經濟性。

（3）系統控制

系統控制是光伏儲能系統的核心，負責監控整個系統的運行狀態，并根據實時數據和預設策略調整系統的工作模式。控制系統通過采集光伏電池的輸出功率、電池組的充放電狀態、電網電壓和頻率等信息，自動調整光伏電池的工作點、電池組的充放電策略以及逆變器的輸出參數，以確保系統安全、高效運行。同時，控制系統還具備故障檢測和保護功能，能夠及時發現并處理系統異常情況。

（4）逆變轉換

由于光伏電池產生的是直流電，而大多數用電設備需要交流電供電，因此逆變轉換是光伏儲能系統中不可或缺的環節。逆變器將直流電轉換為交流電，并調整輸出電壓、頻率和相位，使其符合電網或負載的要求。高質量的逆變器應具備高效率、低諧波失真、寬輸入電壓范圍和快速響應能力等特點，以保證電能轉換的可靠性和穩定性。

圖5 光伏儲能系統示意圖

三、光伏儲能系統的分類

（一）按照投資主體分類

按照投資主體不同，光伏儲能系統可分為商業和戶用兩大類。

（1）工商業光伏儲能系統?

工商業光伏儲能系統廣泛應用于工廠與商場、光儲充電站、微電網以及新型應用場景，如數據中心、5G基站、換電重卡、港口岸電等?。工商業光伏儲能系統的規模較大，一般占地為120-160畝或更大，裝機量要求小于6MW。工商業光伏儲能系統的應用場景包括峰谷價差套利、參與虛擬電廠產品的相關交易或參與需求響應事件，主要目的是降低企業用電成本。工商業光伏儲能市場的參與者包括傳統的發電和電網企業、終端用戶、分布式投資商、節能服務商等，是一個藍海市場，具有無限的創新空間。??

圖6 工商業光伏儲能示例圖

（2）戶用光伏儲能系統

通常安裝在家庭住宅的屋頂或院落等場所。這類系統的規模較小，占地面積大約20畝左右，裝機量一般不超過50kw。戶用光伏儲能系統的經濟模式包括自發自用和余電上網，旨在提高電力自發自用水平，利用峰谷電價差提升儲能度電收益，從而節省電費支出。戶用光伏儲能系統的應用不僅有助于環保、節能，還具有靈活性高的優點。隨著光伏上網電價（FIT）和凈計量電價等家用光伏補貼政策的調整，戶用光伏儲能系統的經濟性得到提高，進一步推動了家用儲能市場的增長。

圖7 戶用光伏儲能示例圖

（二）按與電網的連接方式、能源管理和儲存方式的不同分類

（1）?并網系統?

這種系統是將光伏發電系統直接連接到公共電網中，利用電網來調節和管理電力供應和需求。并網系統通常用于大型商業和工業應用，因為它能夠充分利用公共電網的穩定性和可靠性。

圖8 并網系統示意圖

（2）離網系統

離網系統則是不依賴公共電網獨立運行的，適用于偏遠地區或無法接入公共電網的地方。這些系統通常包括儲能設備，以在無日照時期提供電力。

圖9 離網系統示意圖

（3）并離網儲能系統

這種系統結合了并網和離網的特點，具有儲能裝置，可以在沒有太陽照射時依靠儲能設備供電，同時在有太陽照射時可以將多余的電力反饋給電網。

圖10 并離網發電系統示意圖

（4）微網系統

微網系統是一個小型的發電和配電網絡，可以獨立運行也可以連接到公共電網。它通常包括分布式電源、儲能設備、負荷管理等多個組成部分，能夠實現自我控制和自治管理，適用于需要獨立供電但又希望與外部電網保持一定聯系的場合。

圖11 光伏微網儲能系統示意圖

二、光伏儲能設計常用的計算公式

1.轉換效率

η= Pm（電池片的峰值功率）/A（電池片面積）×Pin（單位面積的入射光功率）

其中：Pin=1KW/㎡=100mW/cm2

2.充電電壓

Vmax=V額×1.43倍

3.電池組件串并聯

3.1電池組件并聯數=負載日平均用電量（Ah）/組件日平均發電量（Ah）

3.2電池組件串聯數=系統工作電壓（V）×系數1.43/組件峰值工作電壓（V）

4.蓄電池容量

蓄電池容量=負載日平均用電量（Ah）×連續陰雨天數/最大放電深度

5.平均放電率

平均放電率（h）=連續陰雨天數×負載工作時間/最大放電深度

6.負載工作時間

負載工作時間（h）=∑負載功率×負載工作時間/∑負載功率

7.蓄電池

7.1蓄電池容量=負載平均用電量（Ah）×連續陰雨天數×放電修正系數/最大放電深度×低溫修正系數

7.2蓄電池串聯數=系統工作電壓/蓄電池標稱電壓

7.3蓄電池并聯數=蓄電池總容量/蓄電池標稱容量

8.以峰值日照時數為依據的簡易計算

8.1組件功率=(用電器功率×用電時間/當地峰值日照時數)×損耗系

損耗系數：取1.6～2.0根據當地污染程度、線路長短、安裝角度等

8.2蓄電池容量=(用電器功率×用電時間/系統電壓)×連續陰雨天數×系統安全系數

系統安全系數：取1.6～2.0，根據蓄電池放電深度、冬季溫度、逆變器轉換效率等

9.以年輻射總量為依據的計算方式

組件（方陣）=K×（用電器工作電壓×用電器工作電流×用電時間）/當地年輻射總量

有人維護+一般使用時，K取230；無人維護+可靠使用時，K取251；無人維護+環境惡劣+要求非常可靠時，K取276。

10.以年輻射總量和斜面修正系數為依據的計算

10.1方陣功率=系數5618×安全系數×負載總用電量/斜面修正系數×水平面年平均輻射量

系數5618:根據充放電效率系數、組件衰減系數等：安全系數：根據使用環境、有無備用電源、是否有人值守等，取1.1～1.3。

10.2蓄電池容量=10×負載總用電量/系統工作電壓;10為無日照系數（對于連續陰雨不超過5天的均適用）。

11.以峰值日照時數為依據的多路負載計算 11.1.電流

組件電流=負載日耗電量（Wh）/系統直流電壓（V）×峰值日照時數（h）×系統效率系數

系統效率系數：含蓄電池充電效率0.9，逆變器轉換效率0.85，組件功率衰減+線路損耗+塵埃等0.9，具體根據實際情況進行調整。

11.2 功率

組件總功率=組件發電電流×系統直流電壓×系數1.43

系數1.43：組件峰值工作電壓與系統工作電壓的比值。

11.3 蓄電池容量

蓄電池組容量=【負載日耗電量Wh/系統直流電壓V】×【連續陰雨天數/逆變器效率×蓄電池放電深度】

逆變器效率：根據設備選型約80%～93%之間：蓄電池放電深度：根據其性能參數和可靠性要求等,在50%～75%之間選擇。

12.以峰值日照時數和兩段陰雨天間隔天數為依據的計算方法 12.1系統蓄電池組容量的計算

蓄電池組容量(Ah)=安全次數×負載日平均耗電量(Ah)×最大連續陰雨天數×低溫修正系數/蓄電池最大放電深度系數

安全系數:1.1-1.4之間:低溫修正系數:0℃以上時取1.0，-10℃以上取1.1，-20℃以上取1.2：蓄電池最大放電深度系數:淺循環取0.5，深度循環取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

12.2 組件串聯數

組件串聯數=系統工作電壓（V）×系數1.43/選定組件峰值工作電壓（V）

12.3組件平均日發電量計算

組件日平均發電量=（Ah）=選定組件峰值工作電流（A）×峰值日照時數（h）×斜面修正系數×組件衰減損耗系數

峰值日照時數和傾斜面修正系數為系統安裝地的實際數據：組件衰減損耗修正系數主要指因組件組合、組件功率衰減、組件灰塵遮蓋、充電效率等的損失，一般取0.8。

12.4兩段連續陰雨天之間的最短間隔天數需要補充的蓄電池容量的計算

補充的蓄電池容量（Ah）=安全系數×負載日平均耗電量（Ah）×最大連續陰雨天數

組件并聯數的計算：

組件并聯數=【補充的蓄電池容量+負載日平均耗電量×最短間隔天數】/組件平均日發電量×最短間隔天數

負載日平均耗電量=負載功率/負載工作電壓×每天工作小時數

13.光伏方陣發電量的計算

年發電量=（kWh）=當地年總輻射能（KWH/㎡）×光伏方陣面積（㎡）×組件轉換效率×修正系數。P=H·A·η·K

修正系數K=K1·K2·K3·K4·K5

K1組件長期運行的衰減系數，取0.8；K2灰塵遮擋組件及溫度升高造成組件功率下降修正，取0.82；K3為線路修正，取0.95；K4為逆變器效率，取0.85或根據廠家數據；K5為光伏方陣朝向及傾斜角修正系數，取0.9左右。

14.根據負載耗電量計算光伏方陣的面積

光伏組件方陣面積=年耗電量/當地年總輻射能×組件轉換效率×修正系數A=P/H·η·K

15.太陽能輻射能量的轉換

1卡（cal）=4.1868焦(J)=1.16278毫瓦時(mWh)

1千瓦時(kWh)=3.6兆焦(MJ)

1千瓦時/㎡(KWh/㎡)=3.6兆焦/㎡(MJ/㎡)=0.36千焦/厘米(KJ/cm)

100毫瓦時/厘米(mWh/cm)=85.98卡/厘米(cal/cm)

1兆焦/米(MJ/m)=23.889卡/厘米(cal/cm)=27.8毫瓦時/厘米(mWh/cm)

當輻射量的單位為卡/厘米：年峰值日照時數=輻射量×0.0116（換算系數）

當輻射量的單位為兆焦/米：年峰值日照時數=輻射量÷3.6（換算系數）

當輻射量單位為千瓦時/米：峰值日照小時數=輻射量÷365天

當輻射量的單位為千焦/厘米，峰值日照小時數=輻射量÷0.36（換算系數）

16.蓄電池選型

蓄電池容量≥5h×逆變器功率/蓄電池組額定電壓

17.電價計算公式

發電成本價格=總成本÷總發電量

電站盈利=（買電價格-發電成本價格）×電站壽命范圍內工作時間

發電成本價格=（總成本-總補貼）÷總發電量

電站盈利=（買電價格-發電成本價格2）×電站壽命范圍內工作時間

電站盈利=（買電價格-發電成本價格2）×電站壽命范圍內工作時間+非市場因素收益

18.投資回報率計算

無補貼：年發電量×電價÷投資總成本×100%=年回報率

有電站補貼：年發電量×電價÷（投資總成本-補貼總額）×100%=年回報率

有電價補貼及電站補貼：年發電量×（電價+補貼電價）÷（投資總成本-補貼總額）×100%=年回報率

19.光付方陣角角度和方位角角度19.1傾斜角

緯度 組件水平傾角

0°-25° 傾角=緯度

26°-40° 傾角=緯度+5°-10°（在我國大部分地區采取+7°）

41°-55° 傾角=緯度+10°-15°

緯度>55° 傾角=緯度+15°-20°

19.2方位角

方位角=【一天中負荷的峰值時刻(24h制)-12】×15+(經度-116)

20.光伏方陣前后排間距：

D = 0.707H /tan [ acrsin ( 0.648cosΦ- 0.399sinΦ) ]

D：組件方陣前后間距

Φ：光伏系統所處緯度（北半球為正,南半球為負）

H：為后排光伏組件底邊至前排遮擋物上邊的垂直高度

來源：網絡

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