獨立光伏發電系統的優化設計

劉增勛　劉志昂　滿磊　朱靜茹　李賢

摘要：以四川省樂山市為例，根據當地氣候條件、地理位置及太陽輻射度等情況，使用PVsyst軟件對當地家用光伏發電系統設計方案進行了模擬仿真。在滿足一個家庭的基本用電情況下，對該系統的蓄電池容量、光伏方陣容量、方陣的傾角、設備選型等方面進行了優化設計與選擇，通過最優化設計使系統達到了最佳輸出額定功率、節省成本、節約能源的效果。

關鍵詞：PVsyst；最佳傾角；光伏發電系統

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）09—0244—03

1引言

能源是世界發展的源動力，隨著石油等礦物能源的消耗，能源危機已經是世界面臨的一大挑戰，因此開發和利用新能源是未來發展的必然趨勢。太陽能作為一種新能源，與常規能源相比有三大特點，第一：它是人類可以利用的最豐富的能源。據估計，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%。今后足以供給地球人類，使用幾十億年，真是取之不盡，用之不竭。第二：太陽能可以就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發達的農村、海島和邊遠地區更具有利用的價值。第三：太陽能是一種潔凈的能源。在開發利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態平衡，不會造成污染和公害。現今國內外都在大力發展太陽能，比如建造大型太陽能發電基地，建設太陽能的公共設施，太陽能的建筑一體化等[1]。本文將對一個獨立光伏系統進行設計，并且采用PVsyst該軟件進行模擬和優化設計，從而達到進一步了解光伏發電系統的目的。

2項目地概況

樂山市位于東經102°15′～104°15′、北緯28°28′～29°56′之間，處于第8時區，北面與峨眉山接壤，東面與自貢市毗鄰，東南面和西南面分別與宜賓市和涼山彝族自治州相連，平均海拔約400m。該區域屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量豐沛，水熱同季，無霜期長，年平均氣溫16.5～18.0℃，年極端最高氣溫40 ℃，最低-4℃。年平均無霜期長達300d以上。年平均霜日4.2～9.4d。年平均降水量在1290mm左右，年平均相對濕利用軟件PVsyst自動導入天氣狀況，如圖1所示。第一個方框豎排表示平均每月的全局輻射，第二個方框豎排表示平均每月的溫度。

3獨立光伏光電系統設計分析

3.1獨立光伏系統的組成部分

獨立光伏發電系統也叫離網光伏發電系統。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池等組成。目前在獨立運行的光伏發電系統中，普遍采用的結構如圖2所示。首先利用太陽能電池來收集太陽能，在經過DC/DC變換器給蓄電池充電。受環境影響太陽能電池輸出的的電壓不穩定，所以一般先將電池輸出的電能儲存在蓄電池中，之后由蓄電池輸出供負載使用[2]。由于蓄電池的電壓較低，往往無法滿足控制器要求，因此還需要一個升壓變壓器，將直流電壓升高，最后通過控制器將直流電轉化為220V/50Hz的交流電供用戶使用。當光伏系統發電量不足時，這時就需要備用發電機來滿足用戶的需求。

3.2最佳傾角、方位角的確定

對于獨立系統，PVsyst軟件會默認選擇冬季最優，因為冬季的太陽輻射量低，所以該系統的安裝角度以冬季為標準。如圖3所示，點擊旁邊的小三角或直接輸入來調整傾角和方位角，在調整時，有三個參數會相應變化，分別是斜面輻射與水平輻射的比（FT），相對于最優化的損失比和傾斜面的輻射能。調整角度，當FT為最大，最優化的損失比為零、傾斜面輻射能最大這三個條件同時滿足時，傾斜角達到最優。四川樂山屬于在北半球，此時方位角是正南面，也就是零度，支架安裝方式為固定安裝。

3.3蓄電池、光伏組件的選型

確定陰影遮蓋損耗：由于本次設計為房屋建筑物頂端，預想為沒有陰影遮蓋。如表1所示的系統負載情況，每日的用電消耗量：3040kW·h/d。

由于太陽輻射量隨季節、氣候等變化，且蓄電池充電時最高只能到達額定容量，放電時又要受放電深度的限制，所以在一定范圍內蓄電池容量也會影響光伏方陣的發電量，在同樣滿足負載用電需要時可以有多種方陣和蓄電池容量的組合。最優化設計應從可靠性和經濟性兩方面進行綜合考慮，以確定既能滿足負載用電要求，又是成本最低的方陣和蓄電池容量組合[3]。對于可靠性指標，國外大多采用負載缺電率（LOL P）來衡量[4～6]。一般戶用光伏系統只要LOL P=10-2即可，這樣可以降低成本，提高系統的經濟性。

蓄電池的選擇：選用2V1500Ah的蓄電池（平湖天上能源有限公司所生產的NR/2V1500），

串聯數=總電壓/單個電池電壓=24/2=12，

并聯數=總容量/單個電池容量=1403/1500≈1。

則總共用了12個電池容量為1500Ah，存儲電量為36.0kW·h[7]，如圖4中的第一個方框所示。

光伏組件的選擇：由于該系統只是一般的家庭系統，按照經濟適用的原則來看，選擇多晶硅的電池板比較合適，經篩選選擇由中國英利生產的YGE 160Wp29V的光伏組件，串并聯計算方法與蓄電池計算方法基本相同，得出需要1個串聯8個并聯，總共8塊電池板。陣列電壓值為34.6V，電流值為38.5A，功率為1.3kWp，如圖4中的第二個方框。選型結果如圖4。

3.4系統性能分析

如圖5所示，紅色條形代表系統發電量，綠色條形代表用戶使用電量，左上角的紅色方框代表光伏組件平均每天產生的電能3.3kW·h/d，綠色方框代表用戶平均每天使用電量3.0kW·h/d，在9、10、11這三個月中，日照時間比較短，光伏系統的發電量受到影響，導致耗電量大于系統發電量，這時就需要備用發電機，使輸入輸出量達到平衡，因此該系統的設計滿足用戶使用。

3.5經濟預算

本次設計投資如表2。endprint

由于我國對光伏發電系統有所補助，所以這里假設此項目稅務為0，銀行貸款利率為0。最終發電價格為每度電1.45元，由于樂山是一個輻照量比較低的城市，軟件模擬結果的最終發電價格有點偏高，實際上是具有可行性的。

3.6環保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內系統總發電量為25818kW·h，節約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結構，進行計算，得出了中國的CO2排放指數為0.814kg/kW·h[8]。該系統25年內將減少約21tCO2排放，對環境保護有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發和利用在當今社會的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發電系統也將越來越多的出現在人們的生活當中。本次設計位于樂山的獨立光伏發電系統經軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發電量為1109kW·h，系統總成本為40120元，折合電價為1.45元/kW·h。從經濟方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統總成本稍微高了一點，使最后光伏電價較高，但是考慮到政府的相關政策和相當好的環境效益，該系統還是具有一定的可行性。

參考文獻：

[1] 李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 曾葉凡，劉志峰，張愛平.獨立光伏發電系統的研究與設計[J].制造業自動化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 楊金煥，汪征浤，陳中華，等.負載缺電率用于獨立光伏系統的最優化設計[J].太陽能學報，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陳耀.獨立光伏系統蓄電池的選擇[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 楊金煥.光伏系統減排CO2潛力的分析[C]//中國太陽能學會.第十屆中國太陽能光伏會議論文集.北京：中國太陽能學會，2008：845～849.endprint

由于我國對光伏發電系統有所補助，所以這里假設此項目稅務為0，銀行貸款利率為0。最終發電價格為每度電1.45元，由于樂山是一個輻照量比較低的城市，軟件模擬結果的最終發電價格有點偏高，實際上是具有可行性的。

3.6環保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內系統總發電量為25818kW·h，節約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結構，進行計算，得出了中國的CO2排放指數為0.814kg/kW·h[8]。該系統25年內將減少約21tCO2排放，對環境保護有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發和利用在當今社會的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發電系統也將越來越多的出現在人們的生活當中。本次設計位于樂山的獨立光伏發電系統經軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發電量為1109kW·h，系統總成本為40120元，折合電價為1.45元/kW·h。從經濟方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統總成本稍微高了一點，使最后光伏電價較高，但是考慮到政府的相關政策和相當好的環境效益，該系統還是具有一定的可行性。

參考文獻：

[1] 李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 曾葉凡，劉志峰，張愛平.獨立光伏發電系統的研究與設計[J].制造業自動化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 楊金煥，汪征浤，陳中華，等.負載缺電率用于獨立光伏系統的最優化設計[J].太陽能學報，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陳耀.獨立光伏系統蓄電池的選擇[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 楊金煥.光伏系統減排CO2潛力的分析[C]//中國太陽能學會.第十屆中國太陽能光伏會議論文集.北京：中國太陽能學會，2008：845～849.endprint

由于我國對光伏發電系統有所補助，所以這里假設此項目稅務為0，銀行貸款利率為0。最終發電價格為每度電1.45元，由于樂山是一個輻照量比較低的城市，軟件模擬結果的最終發電價格有點偏高，實際上是具有可行性的。

3.6環保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內系統總發電量為25818kW·h，節約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結構，進行計算，得出了中國的CO2排放指數為0.814kg/kW·h[8]。該系統25年內將減少約21tCO2排放，對環境保護有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發和利用在當今社會的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發電系統也將越來越多的出現在人們的生活當中。本次設計位于樂山的獨立光伏發電系統經軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發電量為1109kW·h，系統總成本為40120元，折合電價為1.45元/kW·h。從經濟方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統總成本稍微高了一點，使最后光伏電價較高，但是考慮到政府的相關政策和相當好的環境效益，該系統還是具有一定的可行性。

參考文獻：

[1] 李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 曾葉凡，劉志峰，張愛平.獨立光伏發電系統的研究與設計[J].制造業自動化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 楊金煥，汪征浤，陳中華，等.負載缺電率用于獨立光伏系統的最優化設計[J].太陽能學報，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陳耀.獨立光伏系統蓄電池的選擇[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 楊金煥.光伏系統減排CO2潛力的分析[C]//中國太陽能學會.第十屆中國太陽能光伏會議論文集.北京：中國太陽能學會，2008：845～849.endprint