一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和仿真研究

閆富平

（國網(wǎng)榆林供電公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

文明進(jìn)步和社會發(fā)展一直都以消耗傳統(tǒng)化石能源和破壞生態(tài)環(huán)境作為代價。地球上的常規(guī)或者非常規(guī)能源（除了核能和深地?zé)崮芡猓┒际鞘艿教柲艿母鞣N作用轉(zhuǎn)化而來的，太陽能主要有以下特點：1） 資源豐富。太陽已存在約46億年，太陽每年輻射到地球的能量是世界年均能耗的數(shù)萬倍[1-3]。2） 分布廣泛，處處可用。太陽能可就地開發(fā)，就地利用，對偏遠(yuǎn)地區(qū)有重要意義。3） 清潔、可再生。在利用太陽能的過程中，幾乎不會對生態(tài)環(huán)境平衡造成破壞，能減少污染物的排放量，有利于可持續(xù)發(fā)展。因此，太陽能的應(yīng)用前景十分廣闊。目前，利用太陽能的主要方式有光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換以及儲能技術(shù)等。從產(chǎn)/銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景上看，光伏發(fā)電一直處于各種太陽能利用技術(shù)的領(lǐng)先地位。

該文以上海地區(qū)的通信基站作為研究對象設(shè)計了獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)，并利用軟件模擬系統(tǒng)在實際條件下的運行狀況，根據(jù)實際天氣狀況對光伏發(fā)電系統(tǒng)、建筑形式和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計，從而得出光伏發(fā)電系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案。利用MATLAB/SIMULINK建立光伏空調(diào)系統(tǒng)模型，模擬空調(diào)在全年（重點是夏季）工況下的實際運行情況，對光伏最大功率點跟蹤原理（MPPT）進(jìn)行闡述和仿真模擬并分析仿真結(jié)果。

1 通信基站獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)在制冷空調(diào)領(lǐng)域具有較高的匹配性，因此對其進(jìn)行研究具有很大的實際意義。太陽能屬于清潔可再生能源，一般情況下，日照輻射強(qiáng)度與用戶冷負(fù)荷呈正相關(guān)。日照輻射越強(qiáng)，用戶所需制冷量就越大。由此可見，光伏發(fā)電與制冷空調(diào)具有最佳的匹配性。光伏制冷技術(shù)是將光伏發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相結(jié)合，主要有2種形式：1） 光伏發(fā)電系統(tǒng)和珀爾帖（Peltier）效應(yīng)的應(yīng)用[2]。該形式的原理是利用特種半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)，再通過光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的電能來制冷或產(chǎn)熱，其優(yōu)點是無制冷劑、無運動部件等，主要缺點是制冷效率較低、價格太高。隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，這種半導(dǎo)體制冷技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。2） 光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用。冰箱、空調(diào)等制冷器件的成熟度很高，市場上有很多成熟的產(chǎn)品，維護(hù)十分方便。光伏發(fā)電制冷主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，由光伏產(chǎn)生的電能來驅(qū)動制冷系統(tǒng)運行。

獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)包括2個部分：交流獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。主要包括空調(diào)功率、光伏陣列參數(shù)、控制器參數(shù)、逆變器容量、蓄電池參數(shù)以及蓄電池容量等。主要設(shè)計流程一共分為7個步驟，分別是確定房間負(fù)荷、確定空調(diào)功率、確定所需電壓、蓄電池定容、設(shè)計光伏陣列、確定逆變器容量以及確定控制器參數(shù)。

該文的研究對象為上海郊區(qū)某一空曠地帶的無人值守通信基站模型，如圖1所示。該通信基站機(jī)房的內(nèi)部建筑面積為20 m2，高3 m，建筑的方位角為正南朝向，四周外墻為磚混結(jié)構(gòu)（370 mm厚度的磚墻，內(nèi)外表面為石灰砂漿抹灰），頂部為外表面防水砂漿抹灰的400 mm鋼筋混凝土蓋板，南部設(shè)有安全防盜門，一側(cè)墻壁設(shè)有吸風(fēng)口，對面墻壁設(shè)有出風(fēng)口。

圖1 通信基站平面示意圖

通信基站機(jī)房內(nèi)的主要設(shè)備有通信設(shè)備、電源設(shè)備及溫控箱、空調(diào)設(shè)備、傳輸設(shè)備、照明設(shè)備和消防設(shè)備[4]。

通信基站機(jī)房的負(fù)荷主要包括內(nèi)部設(shè)備和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部發(fā)熱設(shè)備主要為通信機(jī)柜、傳輸設(shè)備和開關(guān)電源，蓄電池組、溫控箱、照明設(shè)備和消防設(shè)備的發(fā)熱量較小，忽略不計[5]。機(jī)房內(nèi)部設(shè)備散熱量見表1，工程計算簡化電功耗近似為熱量，因此Q1≈4.34 kW。

表1 通信基站機(jī)房內(nèi)部各設(shè)備散熱量

考慮機(jī)房安全防盜門和通風(fēng)一般為常關(guān)狀態(tài)，計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷時不予考慮，磚混結(jié)構(gòu)通信基站圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的具體情況見表2。

表2 磚混結(jié)構(gòu)通信基站圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷

空調(diào)制冷量范圍須為2.46 kW～ 5.74 kW。設(shè)備選用直流變頻節(jié)能型通信基站專用空調(diào)，具有可實現(xiàn)軟啟動、避免頻繁啟停、無電網(wǎng)沖擊、快速冷暖、高精度溫控、可遠(yuǎn)程監(jiān)控和節(jié)能穩(wěn)定等特點，具體參數(shù)見表3。

表3 直流變頻無人基站用空調(diào)具體參數(shù)

對蓄電池的容量設(shè)計基本要求是保證在太陽輻射量連續(xù)低于需求時，空調(diào)仍可以正常工作。在設(shè)計蓄電池容量的過程中，需要考慮2個主要因素：自維持天數(shù)n和負(fù)載要求。蓄電池的容量一般不宜設(shè)計過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)成本過高；也不宜設(shè)計過低，不能滿足光照不足時負(fù)載的使用需求。系統(tǒng)蓄電池總?cè)萘坑嬎愎揭娢墨I(xiàn)[6]。

蓄電池連接示意圖如圖2所示，對蓄電池的串、并聯(lián)設(shè)計來說，當(dāng)蓄電池串的并聯(lián)數(shù)大于4時，難以保持并聯(lián)導(dǎo)線的阻抗一致性，造成蓄電池呈現(xiàn)不同的充放電趨勢。

圖2 蓄電池組串、并聯(lián)連接示意圖

市場上成熟的產(chǎn)品很多，單晶硅光伏電池以其效率高、價格低等優(yōu)勢迅速發(fā)展，該系統(tǒng)選用的單晶硅光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下具體參數(shù)見表4。

光伏陣列按照示意圖如圖3所示，陣列的方位角與建筑朝向相同，為正南方向，最佳傾角為27°，安裝在通信基站機(jī)房頂和周圍地面上。間距通常設(shè)計為冬至日09:00～15:00，太陽能方陣不會產(chǎn)生遮擋。

圖3 光伏陣列間距計算示意圖

太陽高度角α和太陽方位角β如公式（1）所示。

式中：φ為緯度，φ=31.4°；δ為冬至日的赤緯角，δ=-23.45°；ω為冬至日9：00的時角，ω=45°。

計算得出太陽高度角α=20.27°，太陽方位角β=43.75°。

光伏陣列間距d+D和投影L如公式（2）所示。

式中：k為光伏電池板的寬度，k=0.991 m；h為光伏組件最高點與地面的垂直距離。

計算得出光伏陣列間距最小d+D=0.883+0.880=1.763 m，為了避免相互遮擋，間距留有余量，取2 m。

光伏陣列安裝布置采用分層結(jié)構(gòu)得到最大的光照面積，蓄電池組用于儲能。

逆變器容量設(shè)計選型主要與負(fù)載功率、負(fù)載功率因數(shù)和逆變器效率有統(tǒng)計學(xué)意義，如公式（3）所示。

式中：P為空調(diào)額定功率；P1為功率因數(shù)，P1=0.8；ηinv為逆變器效率，ηinv=95%。

計算得出逆變器容量Cinv=3.16 kW，選用正弦波逆變器，電磁干擾小且逆變效率高。

2 獨立光伏空調(diào)系統(tǒng)模擬分析

系統(tǒng)所使用的JASOLAR / JAM6（K）-72-350/PR光伏組件的主要參數(shù)見表4。

表4 光伏組件的具體技術(shù)參數(shù)

光伏模塊模型等效為電流源、二極管和由材料的電阻特性及損耗等因素造成的電阻。光生電勢外加負(fù)載產(chǎn)生了光電流，其值取決于太陽的輻射照度、電池面積和電池溫度等因素。負(fù)載的電流I和電壓V如公式（4）所示[7-8]。

式中：I3為光生電流；I4為光伏電池在無光照條件下的反向飽和電流；I5為負(fù)載短路電流；R1為串聯(lián)電阻；R2為并聯(lián)電阻；q為電子電荷常數(shù)，q=1.6×10-19C；A為二極管常數(shù)因子，當(dāng)正電壓偏大時A=1，當(dāng)正電壓偏小時A=2；K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；T為絕對溫度值。

系統(tǒng)組件在全年標(biāo)準(zhǔn)日逐時運行MPPT控制仿真結(jié)果，每月都在12：00達(dá)到峰值，因為此時光照強(qiáng)度最高，早晚發(fā)電量較少，光照強(qiáng)度弱。

3 模擬結(jié)果與分析

代入全年模塊數(shù)據(jù)，重復(fù)光伏模型和MPPT模糊控制仿真就可以得出系統(tǒng)全年運行模擬結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)日的模擬結(jié)果相比，數(shù)據(jù)基本符合，如圖4所示。觀察光伏發(fā)電系統(tǒng)全年運行模擬結(jié)果，1—5月系統(tǒng)發(fā)電量逐漸增加；6月上海地區(qū)正值梅雨季節(jié)，總云量和低云量都較高，日照輻射強(qiáng)度較小，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)電量明顯低于5、7月，因此在曲線上形成明顯低谷；7—8月為盛夏，多晴朗干燥天氣，低云量也少，日照輻射強(qiáng)度也為全年最高，因此在曲線上形成峰值部；9月為上海地區(qū)后汛期，總云量和低云量明顯高于8、10月，日照輻射強(qiáng)度明顯降低，因此在曲線上形成明顯轉(zhuǎn)折；10—12月系統(tǒng)發(fā)電量逐漸降低，12、1月在曲線上形成谷值部。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)全年運行發(fā)電量

夏季氣溫較高，空調(diào)負(fù)荷大，7—8月光伏系統(tǒng)的發(fā)電量能滿足空調(diào)和蓄電池儲能的使用需求；6月梅雨季節(jié)和9月后汛期，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量較低，不能滿足需求，需要考慮額外電網(wǎng)補(bǔ)充蓄電池電能配合光伏系統(tǒng)；其他月份氣溫較低，光伏系統(tǒng)基本可以滿足需求。

4 結(jié)語

該文研究了基站機(jī)房空調(diào)用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真運行，研究內(nèi)容包括介紹獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、對基站機(jī)房空調(diào)匹配設(shè)計獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)仿真運行。通過仿真能夠得到不同工況下的光伏組件I-V和P-V輸出曲線以及最大功率點跟蹤。仿真證明了該文所提的估算方法更接近具體工況下的光伏組件的實際輸出，光伏模型更精確。