離網光伏發電系統優化設計探索

摘 要：隨著全球經濟的迅猛發展，太陽能作為一種清潔的可再生能源引起了廣泛關注。光伏發電是太陽能直接應用的一種重要方式，文章以浙江省衢州市離網光伏發電項目為案例，從電池組件容量設計、蓄電池容量分析等角度出發，分析了家用獨立光伏發電系統優化設計方案。

關鍵詞：離網光伏發電系統；光伏陣列；蓄電池組

1 概述

太陽能是一種清潔和可再生能源。我國具有較好的太陽能資源，但是也是一個能源消耗大國，而且人口分布也極不合理，所以發展太陽能光伏發電系統對于我國的可持續發展、能源供給具有較好的獨立性和安全性。隨著光伏發電成本的迅速降低，以及我國光伏發電迅速發展的背景下，離網光伏發電系統將走入千家萬戶。文章以浙江省衢州市離網光伏發電項目為案例，從電池組件容量設計、蓄電池容量分析、控制器選擇、逆變器選配等角度出發，分析了家用獨立光伏發電系統優化設計方案。

2 離網光伏發電系統工作原理

典型離網光伏發電系統主要由電池陣列、控制器、蓄電池、逆變器、負載等部件組成，其工作原理如圖1所示。太陽能光伏發電的核心部件是太陽能電池陣列，它將太陽能直接轉換成電能，并通過控制器把光伏陣列產生的電能存儲于蓄電池中。當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器、逆變器送入各個負載上。

圖1 離網光伏發電系統結構

3 離網光伏發電系統的設計方法

對于離網光伏發電系統的設計，在太陽輻射量（平均值）、地理位置（經度、維度）、用電量（平均）、環境地形等條件確定的情況下，我們設計的主要內容為離網光伏發電系統結構、太陽能電池方陣容量和結構、蓄電池容量和結構、控制器選配、逆變器選配等，同時需要綜合考慮光伏發電系統的經濟性、可靠性和穩定性。圖2為離網光伏發電系統設計方法框圖。

從圖2中可以看出，離網光伏發電系統設計步驟為：首先分析系統用電需求；確定離網光伏發電系統結構；分析當地太陽能資源和氣象地理條件數據的收集、計算；確定系統容量設計，包括系統電壓的確定，太陽能電池組件功率、方陣構成的設計，蓄電池（組）的容量、結構的設計與計算；最后進行離網光伏發電系統其他電氣設備的配置與設計，其中包括控制器的選型與配置、交流逆變器的選型與配置、組件支架及固定方式設計等。

4 家用離網光伏發電系統的結構設計

家用離網光伏發電系統包括電池組件、光伏控制器、蓄電池、逆變器及負載。系統結構如圖1所示。

4.1 系統負載用電需求分析

由于家用用電設備中存在較多“待機”電氣設備，難以用額定功率及用電時間求取耗電量，最為簡捷的方法就是通過月平均耗電量，來核算電氣設備每天耗電量。但是，對離網光伏發電系統來說，要保證系統全年缺電率為零，只要保證該系統在耗電量最多的月份或時間段內，且光照資源等氣象因素最差的情況下能正常可靠運行就可。如果能保證上述最惡劣情況下，系統能正常運行，那么該系統也能滿足其他時間段的用電需求。所以從我國浙江省家庭負載運行情況來看，冬季2月份是用電高峰期，同時也是光照資源最差的時間段。

假設一家庭用電設備在冬季2月達到最高耗電量300kWh，可得平均每天耗電10kWh。

4.2 系統結構

由于家用離網光伏發電系統中存在交流用電設備和直流用電設備，所以家用離網系統結構采用如圖1所示結構，包括電池陣列、控制器、蓄電池、逆變器、負載等部件。

4.3 氣象資源獲取

由于我國當前具有太陽資源測量的氣象站較少，在實際工程項目中，我們一般采用RETScreen軟件來獲取當地太陽資源。圖3為利用RETScreen獲取浙江衢州的太陽資源。

由此可得，該地區每月平均每天氣象資源如表1所示。

4.4 電池組件容量及結構設計

4.4.1 系統直流電壓確定

系統直流電壓U也稱為系統電壓，其是蓄電池、控制器、逆變器輸入端的直流電壓值。常見離網系統直流電壓有12V、24V、48V、96V、110V等。根據本項目實際情況，結合后續蓄電池組、逆變器、控制器的選配情況，本方案系統電壓設置96V。

4.4.2 光伏陣列總容量設計

光伏陣列總容量就是系統所有電池組件容量之和。光伏陣列總容量的大小主要與負載日耗電量有關。有如下關系：

Gp·？濁=Gf

Gp=H·PB

式中Gp表示組件日發平均電量，單位kWh；Gf表示負載每日平均耗電量，單位kWh；？濁為系統轉換效率，包括充電效率系數？濁1，逆變器轉換系數？濁2，組件損耗系數？濁3，其中？濁1、？濁2、？濁3分別取0.9系數；H表示當地日峰值日照時數，單位h；PB表示光伏陣列最小總容量，單位w。

在此離網系統中，冬天2月為耗電量最大時間，故在上述求解光伏陣列總容量的峰值日照時數必須采用冬天2月的平均峰值日照時數。

例如，家用離網光伏發電系統負載日耗電10kWh，而且上述峰值日照時數為2.43h，則可得光伏陣列總容量PB為5.63KW。上述光伏陣列總容量為該離網光伏發電系統實際最小容量，實際略大于該值。

4.4.3 單體組件選擇及光伏陣列結構設計

光伏陣列是通過單體電池組件串并聯得到的。

M×N×Pd=P？叟PB

式中，M為電池組件串聯數，取整數；N為電池組件并聯數，取整數；Pd為單體電池組件容量；P是電池方陣實際容量。

在單體電池組件規格選擇上，要根據系統電壓、光伏陣列實際冗余量、串并聯數量等因素綜合考慮。在離網光伏發電系統中，電池組件串并聯后要通過控制器給蓄電池充電，此時串聯后的組件峰值電壓Uf必須滿足下列關系。

M×Up=Uf

Uf=？濁4×U

式中，UP為單體電池組件的峰值電壓，UF為組件串聯后的峰值電壓，？濁4為充電電壓系數，取值范圍為1.40-1.49，U為系統電壓。即一個標稱電壓為96V的蓄電池，其組件串聯后的峰值電壓應在134.4V-143.0V范圍內，方可為其充電。

表2為一系列電池組件規格參數及其對應的電池組件串并聯方式、方陣陣列實際總容量關系表。

從表2可以看出，為了滿足離網系統用電需求，選擇不同規格的電池組件，其實際容量是不同的。采用規格240W的電池組件實際光伏陣列總容量較小，即實際冗余量最小，故選用規格為240W的電池組件來構建光伏陣列。

同時，選用表2的前兩種240W的電池組件實際光伏陣列總容量相同，但是第一種光伏陣列的并聯數為6，第二種光伏陣列的并聯數為3，從控制器選擇及轉換效率角度出發，并聯數越少系統效率更高。故此方案選擇第二種240W的組件規格。

4.4.4 電池組件傾斜角設計

為了獲取更多太陽資源，光伏陣列的放置可以采用水平放置、固定傾斜角放置、單軸跟蹤和雙軸跟蹤等模式。對于離網光伏發電系統，由于受其環境影響，光伏陣列將更多的采用固定傾斜角放置方式。在實際工程項目中，電池組件傾斜角設置如表3所示。

一般來講，固定傾角太陽能電池方陣面上的輻射量要比水平面輻射量高5%～15%。直射分量越大、緯度越高，傾斜面比水平面增加的輻射量越大。

但是，在采用上述最佳傾斜角設置方法時，雖然可以使光伏發電系統一年內獲取最大放電量。但是對于離網系統來說，為了在最惡劣的環境下不缺電，其光伏陣列傾斜角的設計，應使系統在最惡劣環境下獲取最大的太陽資源，而不是使系統在一年內獲取最大太陽資源。所以對于此離網系統傾斜角主要是保證在冬天2月份獲取最大輻照度。為了獲取更優傾斜角，可以采用Retscreen軟件進行分析。圖4為浙江衢州地區3種傾斜角獲取太陽資源的情況。

從圖4中可以看出傾斜角為28度時，該地區2月份可以獲取最大太陽資源，其日峰值日照時數為2.70h，同時年平均日峰值日照時數也獲取較大，達到3.71h。故傾斜角設置為28度。

4.4.5 鉛酸蓄電池容量C設計

離網光伏系統中，蓄電池容量設計要考慮負載耗電量、逆變器效率、氣象參數等因素。一般計算公式如下：

C×L×S×U=D×F×PF

式中，C蓄電池容量，Ah；F蓄電池放電效率修正系數，通常取1.05；PF平均負荷容量，Ah；L蓄電池的維修保養率，取0.8；S蓄電池的放電深度，取0.5；D表示無日照期間用天數，該地區2月份，最惡劣條件下，D為5天。

代入上述參數可得C為1367.2Ah，系統電壓為96V。實際可選擇標稱電壓為48V100AH的蓄電池28個，進行2串14并的連接方式。

4.4.6 光伏控制器選擇

光伏控制器主要實現蓄電池的充放電保護，其系統功率、系統電壓等級、光伏組件路數、電流等級等內容來確定。例如可選擇系統電壓為96V，系統電流為60A，容量為6kW的光伏控制器。

4.4.7 光伏逆變器選擇

光伏逆變器的選擇主要由系統電壓、輸出電壓、輸出波形等因素確定。但是對于一般電感性負載，如電機、冰箱、空調、洗衣機，在起動時，功率可能是額定功率的5～6倍。因此，通常電感負載起動時，逆變器將承受大的瞬時浪涌功率。所以在逆變器選擇時要放足夠的容量空間，本案例選擇輸入電壓為96V，輸出220V，容量為10kW的工頻純正波逆變器離網逆變器。

5 結束語

為滿足上述案例用電需求，光伏陣列共采用轉換效率為15%的24塊240W的單體組件，共5760W，有效組件面積約為40m2；蓄電池采用標稱電壓為48V100AH的28只蓄電池進行2串14并連接；控制器采用電壓等級96V，容量為10kW工頻純正波逆變器，系統成本約8.4萬左右。其中主要成本為鉛酸蓄電池，約占系統的62%，原因為本案例考慮的是缺電率為零離網光伏發電系統設計，而且在惡劣條件下蓄電池放電量為0.5，連續陰雨天數為5天，故蓄電池的配置成本相對較高。為了減少蓄電池配置容量，降低系統成本，在實際工程中可以采用市電互補離網光伏發電系統模式進行離網光伏發電系統配置。

參考文獻

[1]吳佳妮.離網光伏發電系統設計探討[J].電子技術與軟件工程，2015：140-143.

[2]程啟明.小型離網光伏發電系統的設計[J].上海電力學院學報，2014，30（3）：199-218.

[3]梁卓.小型離網光伏發電系統逆變器的研制[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4]張建輝.離網小型風力發電系統的研究[J].華東電力，

2008，36（11）：118-120.

[5]付文輝.離網型太陽能發電系統的設計方法[J].東方電氣評論，2011，25（1）：70-75.

作者簡介：廖東進（1979-），男，浙江衢州人，副教授，碩士，主要從事光伏發電方面的研究。