戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鐘 福

(中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

隨著環(huán)境的日益惡化以及一次能源的枯竭,清潔可再生能源的開發(fā)利用迫在眉睫,為保證能源安全我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略規(guī)劃,使得能源革命勢(shì)在必行。新能源的開發(fā)與使用大大減小了對(duì)化石燃料的依賴,數(shù)據(jù)表明2021年我國(guó)煤炭占能源消費(fèi)總量的56%,石油占能源消費(fèi)總量的18.5%,清潔能源的占比為25.5%,較上年增加了1.2個(gè)百分點(diǎn),能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳清潔加速轉(zhuǎn)變[1-3]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)能源無(wú)盡,維護(hù)成本低,電池板堅(jiān)固且使用壽命長(zhǎng)。隨著技術(shù)發(fā)展成本迅速下降,近十年來(lái)年增長(zhǎng)率超過(guò)40%,成為主要的替代能源[4-5]。由于其隨機(jī)性與不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn),常使得發(fā)電功率與負(fù)載需求不匹配,因此需要電池作為備用電源。光伏發(fā)電系統(tǒng)還包括光伏陣列、逆變器以及控制器等設(shè)備部件,設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)負(fù)荷設(shè)定系統(tǒng)的額定容量與功率,為了更經(jīng)濟(jì)有效地提高太陽(yáng)能利用率,設(shè)計(jì)師必須對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)估設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)配置

我國(guó)典型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中,光伏板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電,充電控制器管理發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)方向與大小,內(nèi)部包含過(guò)壓過(guò)流保護(hù)以及用戶報(bào)警等功能,充電控制器通過(guò)直流母線同時(shí)連接電池與直流負(fù)載,直流母線與交流母線之間通過(guò)逆變器連接,以實(shí)現(xiàn)交直流母線間的能量交互,在太陽(yáng)能過(guò)剩時(shí)為交流設(shè)備供電。在進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)前,必須對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景下的系統(tǒng)參數(shù)與配置進(jìn)行分析。

圖1 我國(guó)典型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 負(fù)載需求

我國(guó)典型家庭住宅負(fù)荷情況如表1所示。由表1可知,假設(shè)一年內(nèi)每天的負(fù)荷需求保持不變,那么總負(fù)載為16.9 kWh[6-8]。

表1 我國(guó)典型家庭住宅負(fù)荷情況

1.2 太陽(yáng)能資源

為了預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率,以北京為例,采用月平均日照峰值時(shí)間(PSH)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。北京每月平均日照峰值時(shí)間如表2所示[9-10]。

表2 北京每月平均日照峰值時(shí)間

由表2可知,一年中最長(zhǎng)日照峰值時(shí)間為6.17 h,最短日照峰值時(shí)間為2.16 h。

1.3 系統(tǒng)部件

圖1所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、充電控制器、電池與逆變器構(gòu)成,其中直流母線選取24 V,交流母線選擇220 V。

(1) 光伏陣列。選用某品牌KD140GX-LFBS進(jìn)行分析,該光伏板為多晶電池模塊,在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下額定功率為140 W,其標(biāo)準(zhǔn)電壓為12 V,采用兩個(gè)模塊串聯(lián),以匹配24 V直流母線電壓,其峰值電流為7.91 A,短路電流為8.68 A,尺寸為1.5 m×0.668 m。

(2) 電池。該光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的電池型號(hào)為S6-275 AGM,屬于玻璃纖維吸附式蓄電池,電池額定電壓為DC 6 V,為匹配直流母線電壓需要4個(gè)電池模塊串聯(lián)。電池的放電深度應(yīng)不低于50%,以免縮短電池壽命。

(3) 充電控制器。充電控制器通常有兩種類型,即PWM充電控制器和MPPT充電控制器。與MPPT控制器相比,PWM控制器簡(jiǎn)單易操作,可以優(yōu)化電池壽命并且更便宜,但僅能工作在電池與負(fù)載電壓匹配的工況下。MPPT充電控制器的優(yōu)點(diǎn)是,可以通過(guò)匹配充電電壓和電池的電壓狀態(tài)來(lái)優(yōu)化功率傳輸充電,使充電效率提高30%。本文采用MPPT充電控制器,型號(hào)為Solar Boost 50。該控制器可同時(shí)兼容12 V與24 V直流母線電壓,充電和輸出額定電流為50 A。此外,其數(shù)字顯示器用以監(jiān)測(cè)充電性能,防止電流過(guò)大,溫度過(guò)高等。

(4) 逆變器。逆變器主要用來(lái)連接直流母線與交流母線,選用型號(hào)為Cotek SK350-224匹配交直流母線電壓的逆變器,其額定功率為350 W,效率為94%,將24 V直流電轉(zhuǎn)換成220 V交流電,該型號(hào)逆變器常用于家庭和辦公室電器、電動(dòng)工具及便攜設(shè)備、車輛及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)綜合考量權(quán)衡,光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程圖如圖2所示。光伏陣列分布與配置如圖3所示。采用考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)組件實(shí)際行為的安培時(shí)法,更易確定充電控制器額定值。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程圖

圖3 光伏陣列分布與配置

2.1 評(píng)估負(fù)荷需求

估算每日總能量需求,列家用電器清單以及使用時(shí)間,計(jì)算每日的直流能源需求EDC和交流能源需求EAC。由于電纜、光伏陣列、電池、充電控制器和逆變器存在一定的功率損耗,需要額外的能量來(lái)彌補(bǔ)損失。直流能量損耗DClosses、交流能量損耗AClosses及日總需要量Ereq計(jì)算如下式所示:

DClosses=EDCηDClosses

(1)

式中:EDC——直流能源需求;ηDClosses——直流能量效率,取0.2。

AClosses=EACηAClosses

(2)

式中:EAC——交流能源需求;ηAClosses——交流能量效率,取0.35。

Ereq=AClosses+DClosses+EAC+EDC

(3)

用式(4)計(jì)算系統(tǒng)日充電需求Ireq(Ah):

(4)

式中:VDCbus——直流母線電壓。

2.2 光伏陣列大小選擇

光伏輸出能量必須能夠滿足總?cè)肇?fù)荷需求以及用以彌補(bǔ)系統(tǒng)損失的額外能量。在確定光伏陣列的尺寸之前,設(shè)計(jì)師需要估計(jì)現(xiàn)場(chǎng)可用的太陽(yáng)能(每月的PSH)。然后選取PSH(h)最低的月份作為設(shè)計(jì)月份,陣列大小必須與每日總能量需求相匹配。因此,根據(jù)得到的Ireq(Ah),光伏陣列的系統(tǒng)充電電流,Icharge(A)為

(5)

然后,根據(jù)預(yù)選PV模型確定模塊的配置和排列。首先,計(jì)算并行模塊個(gè)數(shù)Np,如式(6)所示:

(6)

式中:ISCT為模塊在短路條件下的輸出電流。接下來(lái),借助式(7)計(jì)算串聯(lián)模塊,其中Vmod_rated為模塊的額定電壓,最后,總光伏陣列數(shù)NPV由式(8)計(jì)算。

(7)

NPV=NpNmod/strg

(8)

2.3 電池的選擇和尺寸

所需電池容量,Ibatreq根據(jù)式(9)計(jì)算:其中Nc為電池預(yù)留天數(shù),DOD為電池放電深度。Nc通常設(shè)定為1～4天,建議電池放電深度不要超過(guò)60%。然后,在預(yù)選電池的基礎(chǔ)上,確定電池的排列及組合。電池的排列及組合如圖4所示。

圖4 電池的排列及組合

(9)

單條支路上串聯(lián)連接的電池?cái)?shù)Nbat_series由式(10)計(jì)算求得,其中Vbat為單個(gè)電池電壓。

(10)

并聯(lián)支路數(shù)Nbat_parallel由式(11)求得,其中Ibat為單體電池容量。

(11)

2.4 充電控制器的選擇和大小

額定電壓根據(jù)直流母線電壓進(jìn)行匹配,控制器的電池充電額定值Icc_charge(A)和負(fù)載電流額定值Icc_output(A)相等。Icc_charge和Icc_output的計(jì)算公式為式(12)、式(13):

Icc_charge=NpIsc×1.25

(12)

(13)

其中,Isc為輸出電流,VDC為直流輸出電壓,PDCload為直流負(fù)載總功率,設(shè)置1.25為超大系數(shù),為光伏組件和負(fù)載電流提供裕度。那么,兩個(gè)方程中較大的值為選擇充電控制器額定值。

2.5 逆變器的選擇和尺寸

逆變器常被用來(lái)為家庭的交流負(fù)荷供電,因此,逆變器額定功率Pinv根據(jù)式(14)選擇:

Pinv=PACload×1.25

(14)

其中PACload為交流負(fù)載需求的總功率,設(shè)裕量因子為1.25。

3 經(jīng)濟(jì)分析

為了滿足特定戶用需求的同時(shí)使得系統(tǒng)成本最低,不可避免地要對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行使用經(jīng)濟(jì)分析。本文采用周期成本(LCC)和能源成本(LCOE)作為參數(shù)指標(biāo)來(lái)衡量發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。LCC為戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用總和,計(jì)算公式如下:

LCC=Cpv+Ccontroller+Cbat+Cinv+

Cinstall+Cbatrep+Cinvrep+

CO&M_25years-Csalvage

(15)

式中:CPV——光伏陣列成本;Cbat——電池成本;Ccontroller——控制器成本;Cinv——逆變器成本;Cinstall——安裝成本;Cbatrep——電池更換成本;Cinvrep——逆變器更換成本;CO&M_25years——25年運(yùn)行維護(hù)成本;Csalvage——系統(tǒng)回收成本。

除電池和逆變器外,所有其他部件都被認(rèn)為具有25年的使用壽命。電池5年需要更換,逆變器10年需要更換。因此,Cbatrep和Cinvrep由式(16)和式(17)計(jì)算,CO&M_25years使用式(18)計(jì)算:

(16)

(17)

(18)

式中:N——組件的使用壽命;CO&M——每年的運(yùn)行和維護(hù)成本(總初始成本的1%);

i——市場(chǎng)價(jià)格。

LCOE(RM/kWh)定義為系統(tǒng)產(chǎn)生的每千瓦時(shí)電能的平均成本,其中考慮了使用壽命、投資成本、更換成本、運(yùn)行維護(hù)成本和資本成本。LCOE的計(jì)算方法是將發(fā)電年化成本LCC1year年除以產(chǎn)生的總有用電能EPV。

(19)

EPV=NPVPmp_STCPSHyear

(20)

式中:Pmp_STC——光伏模塊輸出功率。

在上述經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算中,光伏發(fā)電系統(tǒng)組件價(jià)格如表3所示。

表3 光伏發(fā)電系統(tǒng)組件價(jià)格

4 結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)配置

選擇8臺(tái)KD140GX-LFBS模塊和8臺(tái)S640電池的組合來(lái)保證典型負(fù)載供電可靠性,同時(shí),選用Boost 50充電控制器和Cotek SK350-224逆變器。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)結(jié)果

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

各組件經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)如表5所示。由表5可知,25年周期內(nèi)總投資金額為53 374元,生產(chǎn)一度電的成本為1.5元。

表5 各組件經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了電氣設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析。小規(guī)模的家庭負(fù)荷要求和采用日平均太陽(yáng)輻射量設(shè)計(jì)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)采用項(xiàng)目成本及標(biāo)幺化成本分析。結(jié)果表明,該光伏發(fā)電系統(tǒng)25年的總投資金額為53 374元,同時(shí),生產(chǎn)一度電的成本為1.5元。隨著科技的發(fā)展,光伏發(fā)電系統(tǒng)中各組件的成本也將大幅降低,這將大大推動(dòng)戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及。