獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地理位置及太陽輻射度等情況，使用PVsyst軟件對(duì)當(dāng)?shù)丶矣霉夥l(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬仿真。在滿足一個(gè)家庭的基本用電情況下，對(duì)該系統(tǒng)的蓄電池容量、光伏方陣容量、方陣的傾角、設(shè)備選型等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與選擇，通過最優(yōu)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)達(dá)到了最佳輸出額定功率、節(jié)省成本、節(jié)約能源的效果。

關(guān)鍵詞：PVsyst；最佳傾角；光伏發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2014）09—0244—03

1引言

能源是世界發(fā)展的源動(dòng)力，隨著石油等礦物能源的消耗，能源危機(jī)已經(jīng)是世界面臨的一大挑戰(zhàn)，因此開發(fā)和利用新能源是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。太陽能作為一種新能源，與常規(guī)能源相比有三大特點(diǎn)，第一：它是人類可以利用的最豐富的能源。據(jù)估計(jì)，在過去漫長(zhǎng)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(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。第三：太陽能是一種潔凈的能源。在開發(fā)利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡，不會(huì)造成污染和公害。現(xiàn)今國內(nèi)外都在大力發(fā)展太陽能，比如建造大型太陽能發(fā)電基地，建設(shè)太陽能的公共設(shè)施，太陽能的建筑一體化等[1]。本文將對(duì)一個(gè)獨(dú)立光伏系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且采用PVsyst該軟件進(jìn)行模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到進(jìn)一步了解光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的。

2項(xiàng)目地概況

樂山市位于東經(jīng)102°15′～104°15′、北緯28°28′～29°56′之間，處于第8時(shí)區(qū)，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(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛，水熱同季，無霜期長(zhǎng)，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(zhǎng)達(dá)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(duì)濕利用軟件PVsyst自動(dòng)導(dǎo)入天氣狀況，如圖1所示。第一個(gè)方框豎排表示平均每月的全局輻射，第二個(gè)方框豎排表示平均每月的溫度。

3獨(dú)立光伏光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1獨(dú)立光伏系統(tǒng)的組成部分

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池等組成。目前在獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用的結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先利用太陽能電池來收集太陽能，在經(jīng)過DC/DC變換器給蓄電池充電。受環(huán)境影響太陽能電池輸出的的電壓不穩(wěn)定，所以一般先將電池輸出的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，之后由蓄電池輸出供負(fù)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(gè)升壓變壓器，將直流電壓升高，最后通過控制器將直流電轉(zhuǎn)化為220V/50Hz的交流電供用戶使用。當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，這時(shí)就需要備用發(fā)電機(jī)來滿足用戶的需求。

3.2最佳傾角、方位角的確定

對(duì)于獨(dú)立系統(tǒng)，PVsyst軟件會(huì)默認(rèn)選擇冬季最優(yōu)，因?yàn)槎镜奶栞椛淞康停栽撓到y(tǒng)的安裝角度以冬季為標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，點(diǎn)擊旁邊的小三角或直接輸入來調(diào)整傾角和方位角，在調(diào)整時(shí)，有三個(gè)參數(shù)會(huì)相應(yīng)變化，分別是斜面輻射與水平輻射的比（FT），相對(duì)于最優(yōu)化的損失比和傾斜面的輻射能。調(diào)整角度，當(dāng)FT為最大，最優(yōu)化的損失比為零、傾斜面輻射能最大這三個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，傾斜角達(dá)到最優(yōu)。四川樂山屬于在北半球，此時(shí)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(shè)計(jì)為房屋建筑物頂端，預(yù)想為沒有陰影遮蓋。如表1所示的系統(tǒng)負(fù)載情況，每日的用電消耗量：3040kW·h/d。

由于太陽輻射量隨季節(jié)、氣候等變化，且蓄電池充電時(shí)最高只能到達(dá)額定容量，放電時(shí)又要受放電深度的限制，所以在一定范圍內(nèi)蓄電池容量也會(huì)影響光伏方陣的發(fā)電量，在同樣滿足負(fù)載用電需要時(shí)可以有多種方陣和蓄電池容量的組合。最優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行綜合考慮，以確定既能滿足負(fù)載用電要求，又是成本最低的方陣和蓄電池容量組合[3]。對(duì)于可靠性指標(biāo)，國外大多采用負(fù)載缺電率（LOL P）來衡量[4～6]。一般戶用光伏系統(tǒng)只要LOL P=10-2即可，這樣可以降低成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)的NR/2V1500），

串聯(lián)數(shù)=總電壓/單個(gè)電池電壓=24/2=12，

并聯(lián)數(shù)=總?cè)萘?單個(gè)電池容量=1403/1500≈1。

則總共用了12個(gè)電池容量為1500Ah，存儲(chǔ)電量為36.0kW·h[7]，如圖4中的第一個(gè)方框所示。

光伏組件的選擇：由于該系統(tǒng)只是一般的家庭系統(tǒng)，按照經(jīng)濟(jì)適用的原則來看，選擇多晶硅的電池板比較合適，經(jīng)篩選選擇由中國英利生產(chǎn)的YGE 160Wp29V的光伏組件，串并聯(lián)計(jì)算方法與蓄電池計(jì)算方法基本相同，得出需要1個(gè)串聯(lián)8個(gè)并聯(lián)，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(gè)方框。選型結(jié)果如圖4。

3.4系統(tǒng)性能分析

如圖5所示，紅色條形代表系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)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(gè)月中，日照時(shí)間比較短，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量受到影響，導(dǎo)致耗電量大于系統(tǒng)發(fā)電量，這時(shí)就需要備用發(fā)電機(jī)，使輸入輸出量達(dá)到平衡，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足用戶使用。

3.5經(jīng)濟(jì)預(yù)算

本次設(shè)計(jì)投資如表2。endprint

由于我國對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)有所補(bǔ)助，所以這里假設(shè)此項(xiàng)目稅務(wù)為0，銀行貸款利率為0。最終發(fā)電價(jià)格為每度電1.45元，由于樂山是一個(gè)輻照量比較低的城市，軟件模擬結(jié)果的最終發(fā)電價(jià)格有點(diǎn)偏高，實(shí)際上是具有可行性的。

3.6環(huán)保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內(nèi)系統(tǒng)總發(fā)電量為25818kW·h，節(jié)約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算，得出了中國的CO2排放指數(shù)為0.814kg/kW·h[8]。該系統(tǒng)25年內(nèi)將減少約21tCO2排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結(jié)語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發(fā)和利用在當(dāng)今社會(huì)的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)也將越來越多的出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。本次設(shè)計(jì)位于樂山的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發(fā)電量為1109kW·h，系統(tǒng)總成本為40120元，折合電價(jià)為1.45元/kW·h。從經(jīng)濟(jì)方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統(tǒng)總成本稍微高了一點(diǎn)，使最后光伏電價(jià)較高，但是考慮到政府的相關(guān)政策和相當(dāng)好的環(huán)境效益，該系統(tǒng)還是具有一定的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鐘實(shí).太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 曾葉凡，劉志峰，張愛平.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 楊金煥，汪征浤，陳中華，等.負(fù)載缺電率用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].太陽能學(xué)報(bào)，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.

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

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

由于我國對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)有所補(bǔ)助，所以這里假設(shè)此項(xiàng)目稅務(wù)為0，銀行貸款利率為0。最終發(fā)電價(jià)格為每度電1.45元，由于樂山是一個(gè)輻照量比較低的城市，軟件模擬結(jié)果的最終發(fā)電價(jià)格有點(diǎn)偏高，實(shí)際上是具有可行性的。

3.6環(huán)保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內(nèi)系統(tǒng)總發(fā)電量為25818kW·h，節(jié)約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算，得出了中國的CO2排放指數(shù)為0.814kg/kW·h[8]。該系統(tǒng)25年內(nèi)將減少約21tCO2排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結(jié)語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發(fā)和利用在當(dāng)今社會(huì)的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)也將越來越多的出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。本次設(shè)計(jì)位于樂山的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發(fā)電量為1109kW·h，系統(tǒng)總成本為40120元，折合電價(jià)為1.45元/kW·h。從經(jīng)濟(jì)方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統(tǒng)總成本稍微高了一點(diǎn)，使最后光伏電價(jià)較高，但是考慮到政府的相關(guān)政策和相當(dāng)好的環(huán)境效益，該系統(tǒng)還是具有一定的可行性。

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由于我國對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)有所補(bǔ)助，所以這里假設(shè)此項(xiàng)目稅務(wù)為0，銀行貸款利率為0。最終發(fā)電價(jià)格為每度電1.45元，由于樂山是一個(gè)輻照量比較低的城市，軟件模擬結(jié)果的最終發(fā)電價(jià)格有點(diǎn)偏高，實(shí)際上是具有可行性的。

3.6環(huán)保效益

每度電耗煤0.4kg，25年內(nèi)系統(tǒng)總發(fā)電量為25818kW·h，節(jié)約了10.33t煤。分析了中國電廠燃料結(jié)構(gòu)，進(jìn)行計(jì)算，得出了中國的CO2排放指數(shù)為0.814kg/kW·h[8]。該系統(tǒng)25年內(nèi)將減少約21tCO2排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有一定的正面作用。

2014年9月綠色科技第9期4結(jié)語

隨著能源的日益短缺，太陽能的開發(fā)和利用在當(dāng)今社會(huì)的低位將越來越重要，這樣的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)也將越來越多的出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。本次設(shè)計(jì)位于樂山的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)軟件仿真模擬可以100%滿足用戶用電需求，年發(fā)電量為1109kW·h，系統(tǒng)總成本為40120元，折合電價(jià)為1.45元/kW·h。從經(jīng)濟(jì)方面分析，蓄電池的投資占用了一大部分，系統(tǒng)總成本稍微高了一點(diǎn)，使最后光伏電價(jià)較高，但是考慮到政府的相關(guān)政策和相當(dāng)好的環(huán)境效益，該系統(tǒng)還是具有一定的可行性。

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