戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化研究

胡偉霞，楊記鑫

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

隨著全球能源短缺和環(huán)境問題日益突出，太陽能作為可再生能源逐漸受到人們的關(guān)注。太陽能光伏發(fā)電作為光電轉(zhuǎn)換的重要技術(shù)，具有清潔無污染和效率高等諸多優(yōu)勢。因此，充分開發(fā)太陽能資源，推動光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對于解決能源短缺和保護環(huán)境具有重大戰(zhàn)略意義[1-3]。目前，全球還有很多地區(qū)沒有通上電，特別是經(jīng)濟不發(fā)達的邊遠地區(qū)，由于地理和氣候條件的制約，很難通過建設(shè)常規(guī)電網(wǎng)來解決用電難題，電力供應(yīng)嚴(yán)重制約著經(jīng)濟的發(fā)展。利用太陽能光伏發(fā)電可以建立并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和互補光伏發(fā)電系統(tǒng)等。但是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計初期的重點是發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計和發(fā)電量預(yù)測[4-6]。PVsyst 軟件可對離網(wǎng)、并網(wǎng)和水泵光伏發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，能對不同方案的性能表現(xiàn)進行分析評價，從而給出最優(yōu)技術(shù)方案。針對家庭日常用電需求，該文借助PVsyst 軟件對樂山地區(qū)戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)項目進行模擬，通過合適設(shè)置光伏組件和蓄電池容量等參數(shù)，給出最優(yōu)設(shè)計方案，大大縮短了實際光伏系統(tǒng)選型的時間。

1 系統(tǒng)設(shè)計

戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由光伏方陣、蓄電池、控制器、逆變器和負(fù)載等組成。一般以蓄電池作為儲能裝置，白天有太陽光照時，通過光伏組件收集太陽能發(fā)電，再由控制器向蓄電池充電，日照不足或晚上和陰雨天用電時，蓄電池向負(fù)載供電[7-8]。對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，PVsyst軟件采用固定式安裝。為滿足冬季用電需求，常選取冬季發(fā)電量最優(yōu)。

1.1 負(fù)載用電情況

樂山地區(qū)典型家庭用電負(fù)載包括六個20 W 電燈，每日工作5 小時；一臺120 W 電視機，每日工作4 小時；一臺200 W 的電冰箱，日耗電量0.8 kW·h；一臺300 W 的洗衣機，每日工作1 小時；兩臺制冷功率為1 600 W 的空調(diào)，日耗電量每臺4.8 kW·h。通過上述可知，家庭負(fù)載功率為3.94 kW，日均用電量約為11.92 kW·h。

1.2 環(huán)境參數(shù)選取

該項目以樂山地區(qū)為例，為滿足典型家庭用電需求，采用PVsyst 軟件對戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行詳細設(shè)計。首先要設(shè)置項目地的地理位置，進而通過軟件導(dǎo)入相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)。該項目地樂山位于東經(jīng)103.73°，北緯29.57°，氣象數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 樂山地區(qū)氣象數(shù)據(jù)

該氣象數(shù)據(jù)來源于Meteonorm 7.1 數(shù)據(jù)庫，包括月平均全局輻射量、月平均漫反射輻射量、月平均溫度和月平均風(fēng)速。年平均全局輻射量為1 004.6 kW·h·m-2，屬于太陽能資源帶的第五類地區(qū)，具有一定的開發(fā)價值。

1.3 光伏方陣選型

晶體硅太陽能電池主要包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。目前，市面上單晶硅太陽能光伏電池仍然占較大的份額。單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較多晶硅電池高，商業(yè)化光電轉(zhuǎn)換效率可達17%左右，使用壽命長，最高可達25 年。然而，多晶硅太陽能電池的電池效率為14%左右，使用年限可達20 年[9-10]。該系統(tǒng)主要適用于家庭發(fā)電，從性價比考慮，多晶硅電池組件比較合適。該系統(tǒng)光伏組件選用的是Jinkosolar 的JKM 265P-60 型多晶硅電池組件，外形尺寸為1 650 mm×992 mm×40 mm，組件面積為1.637 m2，每塊組件包含太陽能電池片數(shù)量為60 個，組件最大功率為250 W，具體參數(shù)如表2所示。

表2 光伏組件參數(shù)

光伏陣列采用4 串聯(lián)5 并聯(lián)方式安裝，共接入20 塊組件，每個矩形組件長為3.97 m，寬為1.65 m。陣列占地總面積為33 m2，功率為5.0 kWp。該系統(tǒng)光伏方陣在屋頂正南安裝，傾角為30°，通常不考慮陰影遮擋損失。

1.4 蓄電池和控制器選型

太陽能光伏發(fā)電受氣候條件和地理條件等的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較大的不穩(wěn)定性。蓄電池作為儲能裝置，是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，其作用是儲存電能，在光照不足或陰雨天時保證用戶負(fù)載的正常工作[11-13]。蓄電池效率的高低與光伏組件額定容量的大小密切相關(guān)，在發(fā)電系統(tǒng)成本中占較大比重。蓄電池的選取決定著項目的總投資。因此，在設(shè)計蓄電池容量時，要考慮當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)和蓄電池放電深度對整個光伏系統(tǒng)的影響，同時還要將蓄電池的放電率、環(huán)境溫度等因素考慮在內(nèi)。該系統(tǒng)參數(shù)按照實際情況設(shè)置如下：允許的缺電概率為5.0%，最長自主供電天數(shù)及最長連續(xù)陰雨天數(shù)為4 天，蓄電池組電壓為24 V，軟件給出蓄電池容量的推薦值為2 138 Ah。

太陽能輻射量隨季節(jié)、氣候等條件變化，蓄電池放電時受放電深度的影響，所以蓄電池容量的大小也對光伏方陣的發(fā)電量具有較大影響。在滿足負(fù)載用電需求時，有多種光伏方陣和蓄電池容量的組合。該系統(tǒng)蓄電池選用德國Sonnenschein 生產(chǎn)的型號為2-KS-33PS 的蓄電池，容量為155 Ah，蓄電池組結(jié)構(gòu)上采用2 串14 并的形式，具體參數(shù)如表3所示。

表3 蓄電池參數(shù)

在小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能控制器是太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，它在系統(tǒng)中不僅要具備充電與放電控制的基本功能，還應(yīng)具備安全的雷電保護、蓄電池極性反接保護、夜間放電保護以及輸出端的開短路、過載等全方位立體保護，以確保整套系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行[14]。該設(shè)計系統(tǒng)選用具有MPPT自動跟蹤模式的光伏控制器。為防止供電不足，設(shè)計中可加入備用發(fā)電機作為備用電源，具體布局如圖1 所示。

1.5 損失設(shè)置

發(fā)電系統(tǒng)供家庭用戶使用，光伏組件設(shè)計為放置在房屋建筑物屋頂。假設(shè)該項目周圍無山脈和大型建筑物遮擋，不考慮陰影遮擋損失。當(dāng)光伏系統(tǒng)設(shè)計完成后，點擊detailed losses 進入系統(tǒng)損失設(shè)置。系統(tǒng)損失設(shè)置分別是系統(tǒng)熱損失、線損、組件失配損失、灰塵損失[15]。按照實際情況設(shè)置：Thermal Loss Factor 即陣列的熱損失。選擇自由安裝與空氣流通條件良好，即恒定損耗因子為29 W/m2k、風(fēng)損耗因子為0 W/m2k/m/s；Ohmic Losses（線損）在直流電路中，損耗選擇默認(rèn)值1.5%；Module quality-LIDMismatch（不匹配損失和光致衰減）組件的效率損耗一般為3%，組件不匹配損耗為1%；Soiling Loss（灰塵損耗）每年的污物損耗為3%。

2 系統(tǒng)性能分析

該項目對樂山地區(qū)戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)項目進行模擬，通過選取合適的光伏組件和蓄電池等的參數(shù)，建立了家庭用戶獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。系統(tǒng)發(fā)電按照自給自足，自發(fā)自用的形式，主要為滿足普通家庭用戶的日常用電需求。利用PVsyst軟件進行仿真設(shè)計，經(jīng)計算得出該項目安裝首年，系統(tǒng)的全年發(fā)電量為6 380 kW·h/year，峰瓦發(fā)電量為2.79 kW·h/day，光伏陣列損耗為0.78 kW·h/day，系統(tǒng)損耗為0.49 kW·h/day。

1）系統(tǒng)發(fā)電效率分析

太陽輻射量、太陽能電池組件轉(zhuǎn)化效率、蓄電池性能以及系統(tǒng)損失等對光伏系統(tǒng)發(fā)電量影響較大。在光伏發(fā)電系統(tǒng)實際應(yīng)用中，發(fā)電性能受氣象條件的限制。光伏組件的最大功率點隨溫度和光照強度變化，如圖2 所示，系統(tǒng)能量利用率(PR)為68.8%，用戶需求滿足率(SF)為93.5%。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量能滿足用戶93.5%的用電需求，系統(tǒng)性能良好，達到設(shè)計要求。在6-8 月，由于溫度的升高造成系統(tǒng)功率損失，這可以通過選擇合適的光伏充放電控制器，實現(xiàn)光伏方陣最大功率跟蹤功能，盡量減小溫度對光伏組件的影響[16]。

圖3 為系統(tǒng)日均每kWp 發(fā)電量示意圖。其中，日均每kWp 未使用以及潛在可利用的光伏陣列發(fā)電量Lu為0.99 kW·h，這是因為蓄電池處于充滿狀態(tài)；日均每kWp 光伏陣列損耗Lc為0.25 kW·h，包括系統(tǒng)熱損失、線損、組件失配、灰塵損失、輻照損失等導(dǎo)致的損耗；日均每kWp 系統(tǒng)損耗Ls為0.4 kW·h，包括蓄電池自身損耗和逆變器損耗；日均每kWp 系統(tǒng)發(fā)電量Yf為2.27 kW·h。

2）系統(tǒng)發(fā)電量

系統(tǒng)仿真結(jié)果如表4 所示，詳細展示了樂山地區(qū)戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量、系統(tǒng)未利用發(fā)電量、失電量、用戶可利用電量、負(fù)載所需電量和用戶需求滿足率等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)全年發(fā)電量為6 380 kW·h，用戶可利用電量為4 147 kW·h，負(fù)載所需電量為4 352 kW·h，失電量為205 kW·h。該設(shè)計方案可滿足普通家庭日常所需用電，系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)良好。

表4 光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量仿真結(jié)果

3 結(jié)論

隨著能源的日益短缺，光伏發(fā)電技術(shù)在優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)方面具有重要意義。為滿足家庭節(jié)能用電需求，該文基于PVsyst 軟件對樂山地區(qū)裝機容量為5 kW 的戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行模擬。通過合理設(shè)置光伏組件參數(shù)和蓄電池組參數(shù)，得到系統(tǒng)最優(yōu)年發(fā)電量。系統(tǒng)能量利用率為68.8%，用戶需求滿足率(SF)為93.5%。該小型獨立發(fā)電系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)良好，可滿足家庭日常用電需求。該獨立系統(tǒng)采用自給自足、自發(fā)自用的方式，不僅可以降低系統(tǒng)損失，同時也可一定程度上減輕公共電網(wǎng)負(fù)荷，有望成為電力供應(yīng)的重要來源。同時，采用PVsyst軟件作為光伏系統(tǒng)設(shè)計的輔助手段可提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，大幅減少設(shè)計周期和成本。該設(shè)計對實際獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考價值。