基于PVsyst的某高校20 kW光伏電站仿真與分析

杜文強(qiáng)，劉雄飛，張 超

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，銀川 750021)

0 引 言

光伏發(fā)電因其綠色環(huán)保、技術(shù)可靠、制造工藝成熟，是新能源技術(shù)的典型代表之一。隨著節(jié)能減排理念的不斷推進(jìn)及光伏技術(shù)的研究需求，越來越多的高校開始在校內(nèi)建立光伏發(fā)電站。根據(jù)斯坦福大學(xué)一項(xiàng)最新的研究結(jié)果，如果充分利用可用空間安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，可用滿足學(xué)校75%的電力需求，并減少28%的碳排放。但因光伏電站設(shè)計(jì)選型、樹木建筑陰影遮擋等問題影響，電站效益難以估算、效率問題難以分析，是當(dāng)前光伏技術(shù)推廣的難題之一。

隨著計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)在光伏發(fā)電領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，PVsyst軟件適用面廣、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)成為行業(yè)的主流，文中通過PVsyst軟件對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院20 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行仿真、對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)，得出電站建設(shè)的可靠性和效益等結(jié)論。

1 仿真流程及設(shè)備選型2

1.1 設(shè)計(jì)流程

文中使用PVsyst 6.8.4版本，軟件自帶有豐富的組件庫(kù)及3D建模功能，界面如圖1所示。

圖1 PVsyst光伏仿真軟件界面

設(shè)計(jì)基本流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)基本流程圖

1.2 光伏組件及并網(wǎng)逆變器的選擇

按照實(shí)際項(xiàng)目參數(shù)，選用的太陽(yáng)能電池組件型號(hào)為天合光能TSM-275PD05多晶硅及TSM-315DD05A(II)單晶硅，逆變器選用深圳茂碩新能源科技有限公司的的ST10000TL型逆變器，主要參數(shù)見表1。

表1 光伏組件及并網(wǎng)逆變器主要參數(shù)

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)(Project)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)是PVsyst的核心部分，設(shè)計(jì)按照小時(shí)為步長(zhǎng)進(jìn)行仿真并計(jì)算發(fā)電量，設(shè)計(jì)界面如圖3所示。借助Meteonorm軟件分析銀川市的氣象資料可得相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)界面

圖4 光伏電站氣象信息

2.1 最佳傾角及間距設(shè)置[1]

根據(jù)銀川地區(qū)緯度[5]、全年輻射量最大時(shí)的安裝傾斜角為39°，如圖5所示。安裝時(shí)考慮方陣不被遮擋，一般以冬至日早晨9點(diǎn)至下午3點(diǎn)，選擇冬至日正午12點(diǎn)，通過計(jì)算得出光伏陣列間距為10 m。

圖5 最佳傾角設(shè)置

2.2 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過計(jì)算后確認(rèn)，太陽(yáng)能電池組件數(shù)72塊，并聯(lián)數(shù)為1，方陣中單個(gè)組串的最大斷路電壓為755、803 V，選擇的逆變器的斷路電壓限值1 000 V，設(shè)置合理。多晶硅電池方陣設(shè)置如圖6所示。

圖6 多晶硅電池方陣設(shè)置

2.3 光伏電站仿真建模

根據(jù)光伏電站實(shí)景布置為光伏電站建立架構(gòu)和樹木遮擋物等模型，如圖7-圖8所示。

圖7 光伏電站實(shí)景

圖8 光伏電站3D模型

2.4 光伏電站的各類損失設(shè)置[5]

項(xiàng)目仿真的20 kW光伏電站位于學(xué)院的西南角，地勢(shì)較低、周圍有樹木的遮擋，按照實(shí)際項(xiàng)目情況主要設(shè)置：Field Thermal Loss Factor(場(chǎng)的熱損失系數(shù))，即陣列的熱損失。由于設(shè)計(jì)的是地面的光伏發(fā)電站，選擇自由安裝模塊與空氣循環(huán)，即恒定損耗因數(shù)為29 W/m2k、風(fēng)損耗因數(shù)為0 W/m2k/m/s；Ohmic Losses(歐姆損耗)考慮在直流電路中，損耗選擇默認(rèn)值1.5%；交流電路中，場(chǎng)內(nèi)的損耗約為0.5%，對(duì)光伏電站到電網(wǎng)之間的線損需要考慮到輸電線的長(zhǎng)度和電壓等級(jí)，一般選擇不低于2%，因此交流電路線損耗為2.5%；Module quality-LID- Mismatch(模塊不匹配損失和光致衰減) 組件的效率損耗一般為3%，光致衰減為2%，組件不匹配損耗為2.5%；Soiling Loss(污物損耗) 每年的污物損耗設(shè)置為3%；Unavailability(不可利用)設(shè)置不可利用率為1%，不可利用持續(xù)時(shí)間為3.65 days/yr，周期為3周。

3 仿真結(jié)果及分析[3]

在Run Simulation中完成仿真分析后，輸出該光伏系統(tǒng)總裝機(jī)容量為21.24 kW，經(jīng)過組件逆變器后交流輸出功率為20 kW，模擬年發(fā)電量29.9 MWh/year，光伏系統(tǒng)發(fā)電效率為71.5%，峰瓦發(fā)電量3.86 kWh/day，年利用小時(shí)數(shù)為1 409 kWh/year，光伏陣列損耗1.30 kWh/day，系統(tǒng)損耗0.24 kWh/day。單晶硅組件仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 項(xiàng)目設(shè)計(jì)仿真結(jié)果(單晶硅)

3.1 光伏電站各月實(shí)際輻射值[1]

仿真結(jié)果還詳細(xì)展示了光伏發(fā)電系統(tǒng)的接收到的輻射值、未利用的輻照值、光伏發(fā)電系統(tǒng)所處環(huán)境溫度、組件接收太陽(yáng)輻射量、不含損失的組件有效接收量、逆變器接收量、公共電網(wǎng)所接收到的有效電量、發(fā)電效率等信息，如圖10所示。

圖10 光伏電站年發(fā)電量仿真結(jié)果

3.2 光伏電站各月實(shí)際發(fā)電量與損耗[4]

系統(tǒng)各月實(shí)際發(fā)電量與損耗如圖11所示，紫色條形為光伏組件方陣造成的電量損失，綠色條形為系統(tǒng)傳輸及逆變器造成的損失，紅色條形為系統(tǒng)各月的實(shí)際發(fā)電量，系統(tǒng)逐月逐日平均峰瓦發(fā)電量為3.86 kWh/kWp/day ，通過分析光伏電站的每日實(shí)際發(fā)電量均在3 kWh/kWp/day以上，說明該校園建立光伏發(fā)電站所在地點(diǎn)合適利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電。

圖11 系統(tǒng)各月實(shí)際發(fā)電量與損耗示意圖

3.3 光伏電站效益分析

該光伏電站屬于校內(nèi)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)分布式電站、按運(yùn)營(yíng)期20年、地方國(guó)家補(bǔ)貼為0.42元/千瓦時(shí)測(cè)算，20年運(yùn)行期內(nèi)年總發(fā)電量為59.8萬千瓦時(shí)，總效益25.12萬元，年均效益1.26萬元。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中主要對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院的20 kW光伏電站進(jìn)行仿真與分析，對(duì)光伏發(fā)電站的輻射值、發(fā)電量及損耗進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)果表明：

(1)該電站年發(fā)電量達(dá)到29.9 MWh、光伏系統(tǒng)發(fā)電效率為71.5%，與光伏電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、誤差較小，說明該本項(xiàng)目基于Pvsyst光伏系統(tǒng)仿真平臺(tái)仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確；

(2)光伏發(fā)電站所在地點(diǎn)適合利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電，且能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。