基于PVsyst的戶用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖友鵬

(江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌330098)

基于PVsyst的戶用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

肖友鵬

(江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌330098)

基于PVsyst軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)戶用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)運(yùn)行性能。系統(tǒng)能量利用率為69.2%，用戶需求滿足率為94.3%，設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)良好。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、效率、精度，工程技術(shù)人員應(yīng)該利用PVsyst軟件和其他模擬軟件作為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的輔助工具。

光伏發(fā)電；PVsyst；優(yōu)化設(shè)計(jì)

可再生能源是解決環(huán)境污染、臭氧層破壞、溫室氣體排放、能源需求緊張等問(wèn)題的必由之路[1]，可再生能源包括了太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等。利用可再生能源發(fā)電特別是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，能夠?yàn)槿藗兲峁┠茉吹耐瑫r(shí)給生活帶來(lái)便利。世界范圍內(nèi)電力供應(yīng)的不足和低成本電力需求正驅(qū)動(dòng)著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電較為便利，可以為邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的醫(yī)療、教育、通信、照明、水利和農(nóng)業(yè)提供電力，近年來(lái)還發(fā)展了光伏制冷技術(shù)，出現(xiàn)了許多成功應(yīng)用案例。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝人員使用較為簡(jiǎn)單的工具對(duì)系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，而科研人員和工程師使用更加精密的模擬仿真工具進(jìn)行優(yōu)化。仿真優(yōu)化軟件應(yīng)該具備預(yù)先可行性分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化等功能，進(jìn)一步地為系統(tǒng)配置所輸入和輸出的信息能夠調(diào)整項(xiàng)目進(jìn)程[2]。PVsyst是日內(nèi)瓦大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)軟件包，已經(jīng)成為模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的美國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

PVsyst軟件可以對(duì)獨(dú)立、并網(wǎng)和水泵光伏系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真，可以精確分析和評(píng)價(jià)不同方案及其結(jié)果，用以獲得最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方案，并且比較特定光伏項(xiàng)目不同技術(shù)方案的性能表現(xiàn)。本文涉及3 kW戶用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化太陽(yáng)能光伏方陣和蓄電池的容量，為家庭提供每日所需的電力，并且用PVsyst工具模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能，提出技術(shù)性分析方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

南昌位于東經(jīng)116°，北緯28°，海拔22m，查閱美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取氣象數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用固定式安裝，為滿足冬季(1月～3月)的用電需求，選取冬季發(fā)電量最優(yōu)。光伏方陣朝向正南布置，傾斜角為41°，太陽(yáng)能輻射的轉(zhuǎn)換因子(FT)即相對(duì)透射率為1.23，如圖1所示。

南昌地區(qū)典型家庭負(fù)載包括電燈、電視機(jī)、洗衣機(jī)、冰箱和空調(diào)，每天負(fù)載數(shù)據(jù)如表2所示，同時(shí)假設(shè)負(fù)載在一年中每天用電情況相同，從表2可計(jì)算出家庭負(fù)載功率為3 kW，日均用電量QL約5.6 kWh/d。

圖1 光伏方陣布置方位角和傾斜角

2 系統(tǒng)組成

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成單元包括了光伏方陣、蓄電池、控制器、逆變器和負(fù)載。在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光伏方陣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為DC電，帶有MPPT功能的控制器保證蓄電池不過(guò)充電和過(guò)放電，電能可以儲(chǔ)存在蓄電池中以備夜晚和陰雨天使用，逆變器將DC電轉(zhuǎn)換為AC電，供日常AC負(fù)載使用。

光伏方陣由10塊組件全部并聯(lián)而成，選用的是英利能源公司的型號(hào)為YL210(156)的多晶硅太陽(yáng)能光伏組件，具體參數(shù)如表3所示。系統(tǒng)裝機(jī)容量為2.10 kWp，所有組件總面積約為17.0m2。

太陽(yáng)電池板安裝時(shí)需要留有一定的間距，間距確定的原則是冬至日的9：00-15：00不應(yīng)被遮擋。兩個(gè)太陽(yáng)電池板之間的最小間距可由式(1)、式(2)、式(3)[3]求得

式中：h為太陽(yáng)高度角；ψ為太陽(yáng)方位角；φ為南昌地理緯度；δ為太陽(yáng)赤緯，冬至日為－23.5°；ω為太陽(yáng)時(shí)角，取9：00時(shí)角45°，考慮南昌與北京的經(jīng)度差別，修正為41°；θ為太陽(yáng)電池板的傾斜角即41°；L為太陽(yáng)電池板的長(zhǎng)度即1 650mm，計(jì)算得間距D/L=1.048，即D=1 729mm，經(jīng)PVsyst驗(yàn)證可行。

考慮到光照強(qiáng)度和溫度的影響，光伏組件的性能表現(xiàn)如圖2所示。

圖2 YL210（156）光伏組件不同光照強(qiáng)度和溫度下I-V曲線

隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏組件的開(kāi)路電壓緩慢升高，這說(shuō)明填充因子FF也在升高，光伏組件的短路電流Isc逐漸升高，短路電流是最大的光生電流，隨著光照強(qiáng)度即光子通量Φ(λ)的升高，由，可知光生電流Iph逐漸升高，由于最大功率Pm=IscVocFF，光照強(qiáng)度的升高使得Isc、Voc、FF都有不同程度的增加，進(jìn)而使得Pm增加。

短路電流Isc與溫度之間的關(guān)聯(lián)性并不是很大，隨著溫度的上升Isc略有增加，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體禁帶寬度隨溫度的上升而減小使得光吸收隨之增加的緣故，然而這是一個(gè)比較微弱的影響。對(duì)硅太陽(yáng)電池而言，開(kāi)路電壓與溫度之間的依賴關(guān)系可近似表示為[5]：

溫度的上升主要影響開(kāi)路電壓Voc和填充因子FF，兩者都隨溫度上升而減小，從而導(dǎo)致了輸出功率的下降。隨著溫度的上升半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg變小，本征載流子濃度ni增加，暗飽和電流I0增大，導(dǎo)致開(kāi)路電壓的下降。對(duì)于硅太陽(yáng)電池而言，開(kāi)路電壓與溫度之間的依賴關(guān)系可近似表示為[6]：

因此光伏組件的最大功率點(diǎn)不是固定不動(dòng)的，光照強(qiáng)度增大，最大功率增大，溫度升高，最大功率減小，因此需要進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。

選用Electrona公司型號(hào)為3Q14-Strating的鉛酸蓄電池2串5并，蓄電池組電壓為24 V，容量為1 095 Ah，具體參數(shù)如表4所示。

3 仿真結(jié)果

表5結(jié)果顯示水平面上全年太陽(yáng)能總輻射為1 321.1 kWh/m2，這是輸入到軟件的值；因?yàn)槿肷浣钦{(diào)整和陰影效應(yīng)引起光學(xué)損耗，有效太陽(yáng)能總輻射為1 284.0 kWh/m2，比水平面上低31.7 kWh/m2。系統(tǒng)全年發(fā)電量為2 221.3 kWh，系統(tǒng)未利用發(fā)電量為164.65 kWh。用戶可利用電量為1 927.6 kWh，負(fù)載所需電量為2 044.0 kWh，失電量為116.42 kWh。

光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真詳細(xì)損耗如圖3所示，系統(tǒng)每年由于溫度、太陽(yáng)能輻射量、組件自身質(zhì)量等因素引起年發(fā)電量能量損失較大，其中由太陽(yáng)輻射弱光損耗為6.1%，由溫度引起的損耗為8.2%，由光伏組件自身質(zhì)量引起的損耗為1.3%，組件之間失配引起的損耗為1.8%，線路損耗為0.8%。

圖3光伏發(fā)電系統(tǒng)一整年損失示意圖

圖4 為日均每kWp發(fā)電量示意圖，其中日均每kWp未使用的、潛在可利用的光伏方陣發(fā)電量Lu為0.21 kWh，這是蓄電池處于充滿狀態(tài)所致；日均每kWp光伏方陣損耗Lc為0.74 kWh，包括溫度、線纜、組件質(zhì)量、組件失配、陰影、灰塵等引起的損耗；日均每kWp系統(tǒng)損耗Ls為0.17 kWh，包括蓄電池?zé)o效損耗和逆變器損耗；日均每kWp系統(tǒng)發(fā)電量Y f為2.51 kWh。

系統(tǒng)能量利用率(PR)和用戶需求滿足率(SF)如圖5所示，圖5中Yr(Yield)是沒(méi)有考慮任何損耗、由廠家在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下確定的理想方陣發(fā)電量。PR的計(jì)算方法為Y f/Yr，計(jì)算結(jié)果為69.2%，通常PR值在60%～80%之間[6]，這表明在分析期內(nèi)還是有30.8%的太陽(yáng)能由于線路損耗、熱損耗、組件和逆變器效率因素、組件缺陷等因素沒(méi)有轉(zhuǎn)換為可利用的電能。SF為94.3%，其計(jì)算方法為(EUsed)/(E Load)，也就是光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量能滿足用戶94.3%的用電需求，系統(tǒng)性能良好。

圖4 日均歸一化發(fā)電量(每kWp)

圖5 系統(tǒng)利用率和用戶需求滿足率

4 結(jié)論與建議

以南昌地區(qū)為例，基于PVsyst軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)用戶獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)能量利用率為69.2%，用戶需求滿足率為94.3%，系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)良好。太陽(yáng)能是綠色環(huán)保的可再生能源，利用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，既能滿足用戶用電需求，又不消耗化石能源，也不排放二氧化碳和污染物，有利于節(jié)約化石能源和保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境。安裝于住宅和商業(yè)建筑上的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)都是小型的光伏系統(tǒng)，自發(fā)自用，在不久的將來(lái)會(huì)成為電力供應(yīng)的重要來(lái)源，政府政策應(yīng)該致力于激勵(lì)個(gè)人和投資者對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的投資。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、效率和精度，工程技術(shù)人員應(yīng)該利用PVsyst軟件和其他模擬軟件作為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的輔助工具。

[1]ZENG M，LIU X M，LIN，etal.Overall review of renewable energy tariff policy in China：evolution，implementation，problems and countermeasures[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013(25)：260-271.

[2]IRWANTO M，IRWAN Y M，SAFWATII，etal.Analysis Simulation of the Photovoltaic OutputPerformance[C]//2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference，Langkaw i，The Jewelof Kedah：PEOCO2014，2014：4-25.

[3]BOUZGUENDA M，OMAIR A A L，NAEEM A A L，etal.Design of an off-grid 2 kW solar PV system[C]//2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies，Morocco：2014NICEVRE，2014：1-6.

[4]MARKVART T，CASTA譙ERB L.Chapter IA-1-Principles of Solar Cell Operation in Solar CellsMaterials，Manufacture and Operation(Second Edition)[M].New York：Academic Press，2012：3-25.

[5]GREENM A.太陽(yáng)電池：工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用[M].狄大衛(wèi)，譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[6]PHOTOVOLTAIC G.Solar Energy Generation[M].Berlin：Sprin ger-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co K，2005.

Optimaldesign of stand alone photovoltaic powergeneration system based on PVsyst

XIAO You-peng
(College ofMechanical Engineering，JiangxiUniversity ofTechnology，Nanchang Jiangxi330098，China)

A stone-alone photovoltaic power generation system was designed and the system operation performance was simulated based on PVsystsoftware.The results show that the performance ratio is 69.2%and the solar fraction is 94.3%;the overall performance of the system is excellent.In order to im prove the reliability，efficiency and accuracy of the design，engineer and technologist should use PVsyst software and other simulation software as the supplementary tool for the design and optim ization ofa photovoltaic system.

photovoltaic power generation;PVsyst;optim ization design

TM914

A

1002-087X(2016)07-1454-04

2015-12-03

江西科技學(xué)院2015年度校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(ZR15YB12)

肖友鵬(1979—)，男，江西省人，講師，博士生，主要研究方向?yàn)楣夥牧吓c器件。