家用固定式太陽能電源的應(yīng)用研究

易運(yùn)池

摘 要：隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，可再生能源的研究和利用越來越受到重視。太陽能是資源最豐富的可再生能源之一。它分布廣泛、不污染環(huán)境，是世界各國公認(rèn)的理想能源。本文以北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院技術(shù)研發(fā)與示范推廣基金項(xiàng)目“北京農(nóng)村地區(qū)環(huán)保電源系統(tǒng)應(yīng)用方案的研究”所建成的光伏電站為基礎(chǔ)，詳述家用固定式太陽能電源的建立過程，并為大力推廣家用固定式太陽能電源的應(yīng)用提供了樣本。

關(guān)鍵詞：太陽能 家用能源 控制器 逆變器

我國北方地區(qū)年日照時(shí)數(shù)長，年累計(jì)太陽輻照量大。為了充分利用太陽能，中國建設(shè)了很多大型光伏電站，例如騰格里沙漠光伏電站，總裝機(jī)容量超過1500MW。北京大部分農(nóng)村地區(qū)不適合建大型光伏電站。然而，為了與新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃設(shè)施配套，政府大力扶持家用太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院根據(jù)北京市政府對建立家用太陽能發(fā)電站進(jìn)行鼓勵(lì)和補(bǔ)償?shù)木?，積極開展了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究，在北京密云地區(qū)設(shè)計(jì)并建立了一套3kW左右的家用固定太陽能發(fā)電系統(tǒng)，運(yùn)行方式為自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。

一、太陽能電源接入系統(tǒng)方案的確定

1.建立家用固定式太陽能電源的必要性

北京市大力推進(jìn)燃煤壓減和清潔能源設(shè)施建設(shè)，為首都經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展、城鄉(xiāng)居民生活品質(zhì)提升、空氣質(zhì)量持續(xù)改善提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)力。建設(shè)綠色低碳、安全高效、城鄉(xiāng)一體的現(xiàn)代能源體系，提升了首都核心功能，提高了人民生活水平。北京市密云區(qū)太師屯鎮(zhèn)大漕村一用戶，原由金山路-025柱上變壓器臺區(qū)供電，金山路-025柱上變壓器臺區(qū)安裝1臺配電變壓器，總?cè)萘繛?0kV·A，金山路-025柱上變壓器上級電源引自清水河110kV變電站的金山路10kV線路（261#間隔）。由于地理位置比較偏僻，當(dāng)供電事故發(fā)生時(shí)，為了保證家庭基本用電不受影響，有必要建立安全可靠、綠色環(huán)保的固定式太陽能電源。

2.太陽能電源接入系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的家用固定式太陽能電源，以220V電壓等級接入用戶內(nèi)部電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。光伏電站接入后，將用戶電能表更換為具有雙方向計(jì)量功能的四費(fèi)率一型單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表及配套隔離開關(guān)。

家用固定式太陽能電源硬件構(gòu)成為光伏方陣、匯流箱、專用逆變器、專用導(dǎo)軌、配電箱、專用電纜和專用接頭、GPS模塊、計(jì)量電表。太陽能電源各部分的組成示意圖見圖1。

二、設(shè)備及其設(shè)計(jì)與安裝

1.太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)與安裝

（1）確定太陽能電池方陣的傾角值。光伏生電的工作原理是太陽光線對光伏電池板的照射。當(dāng)太陽光線與光伏電池板平面垂直時(shí)，吸收的太陽光能量最大。由于地球自轉(zhuǎn)，太陽東升西落，太陽光線與地球上任一固定平面不可能時(shí)刻保持垂直狀態(tài)。因此，固定式發(fā)電系統(tǒng)最核心的問題就是如何選擇最佳的傾角，使太陽能電池組件全年的發(fā)電量最大，通常選用的傾角值為當(dāng)?shù)氐木暥戎怠?/p>

（2）太陽能電池方陣的設(shè)計(jì)。按照用戶要求和負(fù)載的用電量，進(jìn)行太陽能電池板的選用與設(shè)計(jì)。一般情況下，多塊太陽能電池板進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)而形成太陽能電池方陣。電池板的串聯(lián)用來確定輸出電壓，電池板的并聯(lián)用來確定輸出電流，最后串并聯(lián)所有的太陽能電池板的總數(shù)目用來確定太陽能電源系統(tǒng)的輸出功率。

本設(shè)計(jì)選用的電池組件為JKM265P-60多晶電池組件。本組件的基本參數(shù)為：最大輸出功率時(shí)工作電壓為31.4V，開路電壓為38.6V，短路電流為9.03A，最大輸出功率時(shí)工作電流為8.44A，最大輸出功率為265W，最大系統(tǒng)電壓為1000V，最大過載保護(hù)電流為15A。

經(jīng)過計(jì)算，光伏陣列按照6塊電池組件串聯(lián)后2路再并聯(lián)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)共1個(gè)3kW單元，組件總數(shù)量12塊，容量3.18kW。

2.匯流箱的設(shè)計(jì)

匯流箱內(nèi)安裝的設(shè)備有：直流匯流后空開斷路器，逆變后輸出交流的空開斷路器及防雷保護(hù)裝置。兩路直流電池板輸出，經(jīng)匯流箱合并成一路，經(jīng)空開斷路器控制送到逆變器。

3.逆變器的設(shè)計(jì)

按照計(jì)算，本設(shè)計(jì)所用逆變器最大輸出功率時(shí)輸入直流工作電壓為31.4V×6=188.4V，開路電壓為38.6V×6=231.6V。

4.運(yùn)行監(jiān)測

本設(shè)計(jì)選用陽光電源生產(chǎn)的GPS，與逆變器RS232串口相接，實(shí)現(xiàn)發(fā)電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測。

三、結(jié)果與分析

1.運(yùn)行效果

電源自2017年2月18日正式運(yùn)行以來，每天進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。在太陽能電池組件固定（緯度、海拔、坡度都固定）、日照時(shí)間變化不大的情況下，影響發(fā)電量的因素是太陽輻射。它的強(qiáng)度則主要由天氣情況決定。晴朗的天氣，由于云層少且薄，大氣對太陽輻射的削弱作用弱，到達(dá)地面的太陽輻射就強(qiáng)，發(fā)電量就會(huì)較多;雨、雪、霾、霧、陰等情況下的天氣，太陽輻射被大氣削弱，到達(dá)地面的太陽輻射就弱，發(fā)電量就會(huì)較少。經(jīng)過抽取電站功率實(shí)時(shí)曲線圖，筆者發(fā)現(xiàn)每日發(fā)電量主要集中在上午9點(diǎn)到下午2點(diǎn)，一般理想狀態(tài)運(yùn)行5小時(shí)。

2.供電能力

目前用戶主要的用電設(shè)備為照明、電視、冰箱、冷熱空調(diào)等，用戶最大負(fù)荷為3kW。本項(xiàng)目光伏電站峰值發(fā)電出力為3.2kW，光伏所發(fā)電力消納方向?yàn)榻鹕铰?025柱上變壓器臺區(qū)所帶負(fù)荷。

3.應(yīng)用價(jià)值

北京市密云區(qū)太師屯鎮(zhèn)大漕村是一個(gè)小山村，電源正式運(yùn)行以后，每天最高發(fā)電量約為17.5kW·h左右，除去小院自身用電，余下部分回送電網(wǎng)，供周圍村民取用。該村的成果吸引了村民自發(fā)參觀，為他們提供了一個(gè)實(shí)用的樣品。本太陽能電源系統(tǒng)實(shí)際支出42100元人民幣（其中用于必需購置設(shè)備材料35200元），從2017年2月14日正式運(yùn)行到2018年2月15日止，系統(tǒng)運(yùn)行正常，全年發(fā)電量約4500kW·h。由于主要設(shè)備保證使用15年，國家電網(wǎng)補(bǔ)貼為0.42元/kW·h、可申報(bào)北京市級補(bǔ)貼0.3元/kW·h（含稅），因此設(shè)備運(yùn)行一直為理想狀態(tài)。在國家以及北京市政策不變的情況下，15年則共補(bǔ)貼4500kW·h×15×0.72元/kW·h=48600元（含稅），若全部自用，相當(dāng)于15年共賺取48600元-35200元=13400元電費(fèi)（含稅）。

四、小結(jié)

從項(xiàng)目發(fā)電系統(tǒng)目前運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)主要不足之處為每天工作時(shí)間最多的6小時(shí)。為了充分利用太陽能量，筆者深入研究了自動(dòng)調(diào)整進(jìn)行追蹤強(qiáng)光。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)并且形成了大量的文獻(xiàn)資料，但是作為戶外實(shí)際應(yīng)用案例較少，后續(xù)希望能夠成功實(shí)施。

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（作者單位：北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院）