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摘要：从太阳能光伏发电系统的工作原理出发，系统总结了独立光伏发电系统中各组成部分及其作用。基于太阳能年辐射总量并充分考虑两组最长阴雨天之间的最短间隔天数，结合太阳能电池斜面辐射最佳系数指标，通过独立光伏电系统的设计方法，研究了负载对所需太阳能电池总功率及蓄电池容量的影响。在此基础上，通过某设置压电阻尼器的输电塔的算例，说明了负载对太阳能电池方阵功率及蓄电池容量的作用，并对独立光伏系统在压电智能结构中的应用进行了展望。
关键词：独立光伏系统；智能结构；蓄电池容量; 主动控制
Abstract: From the fundamental principle of Solar photovoltaic , the role of each composi-
tion of stand-alone photovoltaic system was summarized . Based on the design of photovoltaic system . Using the concept of annual solar irradiance and full consideration the shortest time bet-
ween two teams of longest rainy in coordination with the best coefficient index on inclined plane of solar cell , by the design method of the stand-alone photovoltaic system , the influence of the loads on the whole power of solar cell and corresponding capacity of storage battery has been studies. In this foundation , by the example of transmission with piezoelectric friction damper ,
the effects of the loads on the whole power of solar arrays and corresponding capacity of storage battery has been illustrated. The potential developments and the application on the piezoelectric intelligent structures are put forward.
Key words: Stand-alone photovoltaic system; Intelligent structures; Battery capacity；Active
Control
中图分类号：TM912文献标识码：A 文章编号：
1 引言
地震作为一种自然灾害，对建筑物的破坏是相当严重的，尤其是对一些生命线工程。另外，在强台风或是强地震影响下，也很容易造成局部区域的断水、断电、断气等问题，从而使得依靠传统电力线网供能的结构主动控制装置无法继续工作。因此，针对上述情况就有必要研发离网可再生能源动力供能系统，用于对空间杆系钢结构进行实时健康检测和失稳主动控制，以满足对结构进行主动控制的基本要求。采用光伏电可再生能源技术，可以实现小范围离网供能，解决在强台风或者强震作用下造成的断能问题。
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变成电能的一种技术，具有不受地域地域限制、低碳、环保、可持续可在用电处就近发电、能源质量高、获取能源花费的时间短等优点[1’2]。
2光伏发电系统的组成及其作用
太阳能光伏发电系统各主要部件设备的作用如表1所示：
光伏发电系统的组成 各组成部分的作用 补充说明
太阳能电池方阵 将太阳辐射能转换为负载所需的电能。 太阳能电池方阵是太阳能发电系统中的核心部件。
太阳能控制器 控制整个系统的工作状态，对蓄电池进行过充、过放、反充、过流、过载保护。 控制器还应具备温度补偿的功能（温差较大时）。
蓄电池 在有光照时将太阳能电池板产生的电能储存来需要的时候向负载供电。 蓄电池是太阳能光伏系统的储能部件。
逆变器 将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载所需的交流电。 当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。
表1光伏发电系统的组成及其作用
3 独立光伏电源系统的设计
3.1 设计时必须考虑的因素
独立光伏电系统在设计时首先要收集到下列数据资料：（1）所在地区的日光辐射量；
（2）系统的负载功率；（3）系统输出电压的类型（直流或交流）和大小；（4）系统一天的工作时间； （5）连续阴雨天时系统需要连续供电的天数； （6）两组最长连续阴雨之间的最短间隔天数；（7）负载的性质（电阻性或电感性）。
3.2 光伏电池组容量的计算
光伏电池的容量大小是负载连续供电的保证。光伏电池容量 的计算公式为：
式中—— 安全系數（取1.1~1.4）；—— 负载日平均耗电量；
其中 ； —— 当地的最长连续阴雨天数；
—— 温度修正系数（温度为 以上时为1； 以上时为1.1， 以下时为1.2）；
—— 光伏电池放电深度（铅酸蓄电池为0.75，碱性镍镉蓄电池为0.85）。
3.3 光伏电池板的设计
光伏电池板设计的基本思路就是要满足系统负载的用电需求，包括负载的工作电流以及工作电压。
3.3.1 光伏电池板串联数
光伏电池板串联数 的计算公式为：
式中—— 太阳能电池方阵输出最小电压； —— 蓄电池的浮充电压；
—— 光伏电池板的最佳工作电压； —— 二极管压降，一般 V；—— 其他原因引起的压降。
3.3.2 光伏电池板并联数
在计算 之前，首先要计算一些与之相关的参数：
①标准光强下的平均日辐射时数 ：
②光伏电池板的日发电量 ：
式中—— 光伏电池板的最佳工作电流； —— 斜面修正系数；
—— 修正系数（一般取为0.8）；
③考虑在两组最长连续阴雨天内的最短间隔天数 ，需补充的电量 ：
④光伏电池板并联数 ：
3.3.3 太阳能电池板的功率计算
依据太阳能电池板的串并联数可得：
式中—— 太阳能电池标准组件的标准功率。
4独立光伏电系统在压电智能结构中的应用
目前国内外对光伏电的研究大多集中于对太阳能空气集热、通风、被动采暖或是降温等领域。然而对于利用光伏电的供能技术对结构进行主动控震还没有相关研究，因此如何将独立光伏电系统应用到智能结构中去进行动力稳定性智能控制将是我们今后的主要研究方向。
如何利用光伏电供能技术对结构进行主动控制将会成为建筑与光伏产业相结合的一个新思路，首先具体到地震对网壳结构的破坏作用，实验加工制作了一个跨度为1.6米，矢高为0.16米的六星型穹顶网壳模型结构[3]。基于压电材料的压电作动效应[4]，研制了一种新压电主动杆件（它可以实现同步监测和驱动功能的智能控制元件，主动杆件驱动器图1所示，），通过杆件本身受力的主动控制来调节结构的动力稳定性能，并将8根压电主动杆件布置到网结构模型之中（如图2所示），进行了设置8根新型压电主动杆网壳模型架构的主动抗震控制模拟地震振动台验。实验结果表明压电主动杆件不仅可以有效抑制和减少结构的地震响应，而且构造简单，容易集成，自适应能力强。
图1主动杆件驱动器图2实体网壳模型
今后我们的实验方向就是如何很好的将独立光伏电系统与我们之前的实验相合（即将太阳能光伏电技术与空间杆系结构的动力稳定性主动控制相结合），并在此基础上研究优化小区域空间杆系结构的离网供能、储能策略、光-电（光伏电-压电传感/驱动）协同工作系统，以实现独立结构的离网自适应智能控制。
5设计实例
以陕西某设置压电阻尼器的输电塔为例，负载的电压为 V，负载功率为 瓦（在层间变形比较大的质点之间设置摩擦阻尼器[5]），每天工作 小时，最长连续阴雨天为 天，两组连续阴雨天最短间隔天数为 天，太阳能电池型号采用 型，太阳能电池采用浮充电压为的12 1V的铅酸免维护蓄电池，其标准功率为 瓦，最佳工作电流为 A，最佳工作电压为 V。西安地区水平面太阳辐射的具体参数参照表“我国主要城市的辐射参数表”，西安地区的日辐射量为12781 ， 值为0.9275，最佳倾角为48.3度。
实验所需的光伏电池容量和光伏电池板的功率为：
⑴光伏电池容量 ：
⑵光伏电池板功率 ：
可知此太阳能光伏电池板的功率为：
实验所需的光伏电池容量为 ，光伏电池板的功率为 ，共需9块标准光伏电池板并联。
6结语
目前我们的实验构想是利用光伏系统对压电主元杆件独立供电，通过智能结构不间断的监测结构的状况，并在强烈的动力作用下为结构提供驱动力，使结构逃逸动力失稳频率区间，保证结构安全的度过来自外力的破坏。这样即使地震的破坏作用很大，压电主元杆件还是可以正常工作，继续对网壳结构进行主动控制。课题组拟采用独立光伏电系统对整个结构的监测系统和主动控制系统供量，研究光伏电供能系统与压电传感器/驱动系统的匹配性，以及压电传感器/驱动器与空间杆系钢结构的可靠连接方式，以实现结构的动力稳定性光-电协同工作。
参考文献：
[1] 沈辉，曾祖勤，太阳能光伏发电技术[M]，北京：化学工业出版社，2005年.
[2] 滨川圭弘著，太阳能光伏電池及其应用[M]，张红梅，崔晓华译，北京：科学出版社，2008年.
[3] 朱军强，马少波，王社良等，单层网壳结构振动压电控制分析与试验研究[J]，地震工程与工程振动，2011,31（4）；114-119.
[4] 李俊宝，吕刚，智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：（一）压电主动构件设计[J],压电与声光，1998,20（2）；89-94.
[5] 赵大海，李宏男，压电摩擦阻尼器的实验研究[J],压电与声光，2009,31（1）；60-62.
项目基金： 国家自然科学基金重大研究计划培育项目(90715003)；国家自然科学基金项目(10972168)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20096120120005)；国家青年科学基金项目（51008245）
作者简介：李贝贝（1985-），女，硕士研究生，主要从事减灾及其防护工程方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：独立光伏系统；智能结构；蓄电池容量; 主动控制
Abstract: From the fundamental principle of Solar photovoltaic , the role of each composi-
tion of stand-alone photovoltaic system was summarized . Based on the design of photovoltaic system . Using the concept of annual solar irradiance and full consideration the shortest time bet-
ween two teams of longest rainy in coordination with the best coefficient index on inclined plane of solar cell , by the design method of the stand-alone photovoltaic system , the influence of the loads on the whole power of solar cell and corresponding capacity of storage battery has been studies. In this foundation , by the example of transmission with piezoelectric friction damper ,
the effects of the loads on the whole power of solar arrays and corresponding capacity of storage battery has been illustrated. The potential developments and the application on the piezoelectric intelligent structures are put forward.
Key words: Stand-alone photovoltaic system; Intelligent structures; Battery capacity；Active
Control
中图分类号：TM912文献标识码：A 文章编号：
1 引言
地震作为一种自然灾害，对建筑物的破坏是相当严重的，尤其是对一些生命线工程。另外，在强台风或是强地震影响下，也很容易造成局部区域的断水、断电、断气等问题，从而使得依靠传统电力线网供能的结构主动控制装置无法继续工作。因此，针对上述情况就有必要研发离网可再生能源动力供能系统，用于对空间杆系钢结构进行实时健康检测和失稳主动控制，以满足对结构进行主动控制的基本要求。采用光伏电可再生能源技术，可以实现小范围离网供能，解决在强台风或者强震作用下造成的断能问题。
太阳能光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变成电能的一种技术，具有不受地域地域限制、低碳、环保、可持续可在用电处就近发电、能源质量高、获取能源花费的时间短等优点[1’2]。
2光伏发电系统的组成及其作用
太阳能光伏发电系统各主要部件设备的作用如表1所示：
光伏发电系统的组成 各组成部分的作用 补充说明
太阳能电池方阵 将太阳辐射能转换为负载所需的电能。 太阳能电池方阵是太阳能发电系统中的核心部件。
太阳能控制器 控制整个系统的工作状态，对蓄电池进行过充、过放、反充、过流、过载保护。 控制器还应具备温度补偿的功能（温差较大时）。
蓄电池 在有光照时将太阳能电池板产生的电能储存来需要的时候向负载供电。 蓄电池是太阳能光伏系统的储能部件。
逆变器 将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载所需的交流电。 当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。
表1光伏发电系统的组成及其作用
3 独立光伏电源系统的设计
3.1 设计时必须考虑的因素
独立光伏电系统在设计时首先要收集到下列数据资料：（1）所在地区的日光辐射量；
（2）系统的负载功率；（3）系统输出电压的类型（直流或交流）和大小；（4）系统一天的工作时间； （5）连续阴雨天时系统需要连续供电的天数； （6）两组最长连续阴雨之间的最短间隔天数；（7）负载的性质（电阻性或电感性）。
3.2 光伏电池组容量的计算
光伏电池的容量大小是负载连续供电的保证。光伏电池容量 的计算公式为：
式中—— 安全系數（取1.1~1.4）；—— 负载日平均耗电量；
其中 ； —— 当地的最长连续阴雨天数；
—— 温度修正系数（温度为 以上时为1； 以上时为1.1， 以下时为1.2）；
—— 光伏电池放电深度（铅酸蓄电池为0.75，碱性镍镉蓄电池为0.85）。
3.3 光伏电池板的设计
光伏电池板设计的基本思路就是要满足系统负载的用电需求，包括负载的工作电流以及工作电压。
3.3.1 光伏电池板串联数
光伏电池板串联数 的计算公式为：
式中—— 太阳能电池方阵输出最小电压； —— 蓄电池的浮充电压；
—— 光伏电池板的最佳工作电压； —— 二极管压降，一般 V；—— 其他原因引起的压降。
3.3.2 光伏电池板并联数
在计算 之前，首先要计算一些与之相关的参数：
①标准光强下的平均日辐射时数 ：
②光伏电池板的日发电量 ：
式中—— 光伏电池板的最佳工作电流； —— 斜面修正系数；
—— 修正系数（一般取为0.8）；
③考虑在两组最长连续阴雨天内的最短间隔天数 ，需补充的电量 ：
④光伏电池板并联数 ：
3.3.3 太阳能电池板的功率计算
依据太阳能电池板的串并联数可得：
式中—— 太阳能电池标准组件的标准功率。
4独立光伏电系统在压电智能结构中的应用
目前国内外对光伏电的研究大多集中于对太阳能空气集热、通风、被动采暖或是降温等领域。然而对于利用光伏电的供能技术对结构进行主动控震还没有相关研究，因此如何将独立光伏电系统应用到智能结构中去进行动力稳定性智能控制将是我们今后的主要研究方向。
如何利用光伏电供能技术对结构进行主动控制将会成为建筑与光伏产业相结合的一个新思路，首先具体到地震对网壳结构的破坏作用，实验加工制作了一个跨度为1.6米，矢高为0.16米的六星型穹顶网壳模型结构[3]。基于压电材料的压电作动效应[4]，研制了一种新压电主动杆件（它可以实现同步监测和驱动功能的智能控制元件，主动杆件驱动器图1所示，），通过杆件本身受力的主动控制来调节结构的动力稳定性能，并将8根压电主动杆件布置到网结构模型之中（如图2所示），进行了设置8根新型压电主动杆网壳模型架构的主动抗震控制模拟地震振动台验。实验结果表明压电主动杆件不仅可以有效抑制和减少结构的地震响应，而且构造简单，容易集成，自适应能力强。
图1主动杆件驱动器图2实体网壳模型
今后我们的实验方向就是如何很好的将独立光伏电系统与我们之前的实验相合（即将太阳能光伏电技术与空间杆系结构的动力稳定性主动控制相结合），并在此基础上研究优化小区域空间杆系结构的离网供能、储能策略、光-电（光伏电-压电传感/驱动）协同工作系统，以实现独立结构的离网自适应智能控制。
5设计实例
以陕西某设置压电阻尼器的输电塔为例，负载的电压为 V，负载功率为 瓦（在层间变形比较大的质点之间设置摩擦阻尼器[5]），每天工作 小时，最长连续阴雨天为 天，两组连续阴雨天最短间隔天数为 天，太阳能电池型号采用 型，太阳能电池采用浮充电压为的12 1V的铅酸免维护蓄电池，其标准功率为 瓦，最佳工作电流为 A，最佳工作电压为 V。西安地区水平面太阳辐射的具体参数参照表“我国主要城市的辐射参数表”，西安地区的日辐射量为12781 ， 值为0.9275，最佳倾角为48.3度。
实验所需的光伏电池容量和光伏电池板的功率为：
⑴光伏电池容量 ：
⑵光伏电池板功率 ：
可知此太阳能光伏电池板的功率为：
实验所需的光伏电池容量为 ，光伏电池板的功率为 ，共需9块标准光伏电池板并联。
6结语
目前我们的实验构想是利用光伏系统对压电主元杆件独立供电，通过智能结构不间断的监测结构的状况，并在强烈的动力作用下为结构提供驱动力，使结构逃逸动力失稳频率区间，保证结构安全的度过来自外力的破坏。这样即使地震的破坏作用很大，压电主元杆件还是可以正常工作，继续对网壳结构进行主动控制。课题组拟采用独立光伏电系统对整个结构的监测系统和主动控制系统供量，研究光伏电供能系统与压电传感器/驱动系统的匹配性，以及压电传感器/驱动器与空间杆系钢结构的可靠连接方式，以实现结构的动力稳定性光-电协同工作。
参考文献：
[1] 沈辉，曾祖勤，太阳能光伏发电技术[M]，北京：化学工业出版社，2005年.
[2] 滨川圭弘著，太阳能光伏電池及其应用[M]，张红梅，崔晓华译，北京：科学出版社，2008年.
[3] 朱军强，马少波，王社良等，单层网壳结构振动压电控制分析与试验研究[J]，地震工程与工程振动，2011,31（4）；114-119.
[4] 李俊宝，吕刚，智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：（一）压电主动构件设计[J],压电与声光，1998,20（2）；89-94.
[5] 赵大海，李宏男，压电摩擦阻尼器的实验研究[J],压电与声光，2009,31（1）；60-62.
项目基金： 国家自然科学基金重大研究计划培育项目(90715003)；国家自然科学基金项目(10972168)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20096120120005)；国家青年科学基金项目（51008245）
作者简介：李贝贝（1985-），女，硕士研究生，主要从事减灾及其防护工程方面的研究。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。