基于實際需求的小型獨立太陽能發電系統設計與研究

程琳　唐毅　都小利　錢文　陳朔

摘要：為提高獨立光伏系統的供電可靠性和光伏利用率，該文針對所選取設計地的氣象數據，以及家用負載耗電量等條件，利用蓄電池容量計算式，計算系統中蓄電池放電小時率，并合理選擇蓄電池型號。在最大功率跟蹤條件下，根據光伏系統安裝地的實際地理、氣候、負荷情況，對發電系統中光伏電池陣列容量進行選擇合理配置。利用Matlab中的Simulink工具箱構造小型太陽能發電系統，通過在光照強度和負載變化的條件下，研究蓄電池的響應特性和系統的功率平衡性能。仿真結果證實，合理選擇蓄電池具備良好的充放電特性，能快速調節系統輸出功率滿足負載需求。

關鍵詞：光伏系統；蓄電池；光伏電池陣列；功率平衡

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0125-05

0引言

能源是人類社會發展的核心驅動力，在傳統化石能源不斷枯竭，環境污染逐漸加劇的情況下，尋找可持續的新型能源成為當務之急。由于太陽能是一種可持續的清潔能源，已逐漸成為國際公認的替代傳統能源的理想新能源之一。

獨立太陽能系統，目前多用于解決孤立島嶼、高原地帶或偏遠山區人們的用電需求。這些偏遠地方傳統電網的鋪設難度往往較大，電網鋪設成本較高，但通常具有豐富的太陽能資源：因此，設計合理的獨立太陽能發電系統可以有效幫助當地居民。獨立光伏發電系統結構如圖1所示。系統采用自發自用的孤網結構，當日照充足時，通過太陽能電池板的電子光照特性，太陽能被轉換成電能。并通過變換器和逆變器轉換成可用形式的電能為孤網中的負載供電，而多余的電能則被存儲在蓄電池中，當日照不充分時則由蓄電池維持對電網負荷供電。

隨著在一個區域所建立的獨立太陽能發電系統越來越多，為減少對能源的浪費，有時人們會將多臺光伏發電單元組合或與其他能源發電共同組成“微電網”來滿足不同電力用戶的需求。為了對大電網進行能源互補，有時也將微電網與大電網連接，這也給大電網的安全、穩定運行提出了挑戰。如果能夠根據單元的容量和本地負荷的大小，事先確定好合理的蓄電池容量，以及光伏電池陣列容量，那么當小型發電系統所構成的微網與大電網斷開時，不需要調節電網間的平衡關系，就能夠保持微網中電壓、頻率穩定，這將是小型發電單元對大電網穩定性的有利補充。因此，本文主要討論獨立光伏發電系統中蓄電池容量和光伏電池陣列容量設計，采用獨立小型家用太陽能發電系統，通過計算系統中蓄電池容量和光伏電池陣列容量，保證在不同下當地負光照及氣溫下，對系統中負荷的不間斷供電，從而提高系統供電質量的可靠性。獨立光伏發電系統是指大電網無法控制的自給供電系統。

1蓄電池容量確定

蓄電池在獨立發電系統中，當日照充足而用電量較少時，起電能儲存作用；當日照不充足，用電量較大時，蓄電池將釋放電能，從而維持系統中重要負荷的穩定工作。市面上常見的蓄電池種類有鋰電池、鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鎳氫電池等。鋰電池價格昂貴，且單體大容量技術尚不成熟；鎳氫電池和鎳鎘電池價格高且具有容量保持效應，影響電存儲容量。綜合考慮成本及容量最優化，目前在太陽能發電系統中主要采用鉛酸蓄電池。

小型獨立太陽能發電系統的工作穩定性受蓄電池容量影響。蓄電池容量是指蓄電池在規定條件（包括放電強度、放電電流及放電終止電壓）下放出的電量多少或放電時間長短，單位為A·h或A·min。本文選取了昆明作為設計地點。昆明地處云貴高原中部，每年的平均氣溫約為16.5℃，每年的平均降雨量約為1 450mm。據統計全年平均連續陰雨天數2.8 d，陰雨天數比例35.9%。昆明具體氣候條件如表1所示，可以看出，昆明日照條件并不優秀，所以在設計過程中蓄電池容量選擇非常重要。

本文所設計的家用光伏系統，需要考慮家用電器負載用電量。表2為家用電器的典型負載電量。

根據表2，綜合考慮用電設備的同時用電和系統供電的穩定性，10kW左右的負荷即可滿足一般使用，日均用電量8kW·h左右。蓄電池容量計算如下式所示：

因此，本文設計的獨立太陽能系統中蓄電池容量為1 210A·h。考慮系統中負荷端的電壓為48 v，因此本文選用GFM-1200（2）型鉛酸蓄電池。

2光伏電池陣列容量設計

對于硅基太陽能電池功率的選擇需要根據當地日照情況進行。因此，先計算當地的每日日照平均值。每天標準的日照有效時間計算如下式所示：

（3）假設標準日照強度為1 000W/m²，式中H為每日能達到標準日照強度的平均小時；K_H為轉換系數，為1/3600≈2.78×10^-4；HD為每日平均的日照量，根據氣象數據，昆明歷年來日照總量在5×10⁴kJ/m²左右，經計算：5×10⁶/365=1.37×10⁴kJ/m²，日均日照量為1.37×10⁴kJ/m²；K_op為斜面修正系數，上述所有日照量都建立在假設太陽直射的情況下，而實際情況中，太陽光照直射位置常與光伏電池板存在夾角，K_op根據所在地緯度不同在0.9-0.99之間變化，本課題選擇的昆明位于北緯25。，本文取值為0.96。由此可得：

H=0.96×2.78×10^-4×1.37×10⁴≈3.66 h

太陽能電池陣列的輸出功率為

（4）式中：Q_L——負載日耗電量，W·h，經上文計算可知本文的負載為8000W·h：

K_L——取值為1.1；

K_r——系統中開關電路對能源損耗，取值為1.2；

η_c——電池在充電與放電狀態時的效率，一般為0.9。

計算得：

根據計算，本文選用太陽能電參數如表3所示。

3仿真分析

由于光伏陣列電池多為硅太陽能電池，并且其通常是由許多較小單位的光伏電池串并聯組合而成的。因此，通過對光伏電池的串并聯交替組合可以得到期望的直流電壓和電流。由此可得到光伏陣列的輸出特性方程：

在式（5）中I_ph，I₀，R_s可以通過表3提供的短路電流I_sc、開路電壓V_oc、工作電壓V_m和工作電流，I_m，帶入數學模型分別求出。用數學軟件Matlab/Simulink建立的光伏電池仿真模型如圖2所示。這種模型可以封裝成通用的仿真模塊，通過模擬改變不同光照強度得到光伏電池輸出伏安特性曲線。

在溫度不變的情況下（25℃），改變日照強度，分別為1 000，800，600，400 W/m2，I-U曲線和P-U曲線如圖3所示。

從圖3（a）可看出，在仿真測試時如果氣溫保持不變，日照強度從1 000 W/m²下降到400 W/m2時，系統中的電流也從8A下降到3.2A左右。圖3（b）證明，日照強度對系統輸出功率的影響，最大功率點從270W下降到90W。由此可見，光照強度會對光伏電池的工作性能造成影響。

為證實蓄電池對獨立光伏發電系統的功率平衡性能，在變化的光照和負載條件下，蓄電池光伏儲能系統做了仿真，仿真搭建模型如圖4所示。

仿真前，假設系統已達到穩態，蓄電池容量按照表2參數設計。假定工作溫度為25℃，負載為10kW不變，起始光強為1 000W/m²，在4 s時下降到800W/m²，8 s時又回升到1000W/m²。設置仿真時間為12 s，仿真結果如圖5所示。

如圖所示，在4s前，光伏模塊發電功率為5.3kw，無法滿足10kW負載所需用電量，只能通過蓄電池放電來提供4.7kw的功率偏差，在4 s后，光照下降，蓄電池中電量下降更快，發出功率更多。光伏電池和蓄電池保證了10 kw負載所需用電量。在光照變化瞬間，負載用電功率有一定波動，但能很快穩定，蓄電池響應快速。

設置獨立光伏系統工作在25℃，光照強度1 000W/m²保持不變，起初負載為10kw，在5 s時下降為3 kW，在10 s時恢復到10kw。設置仿真時間為15 s，系統仿真結果如圖6所示。

由圖可見，在5 s前，蓄電池工作在放電模式，輸出功率滿足10kw負載用電。5 s后，負載減小到3 kw，而光伏模塊發電功率為5.3 kw，多余的發電功率存儲在蓄電池內，蓄電池工作在充電模式。10 s后，負載增大到10kw，蓄電池再次放電。光伏電池和蓄電池能夠保證變化的負載用電需求，在負載擾動瞬間，負載用電功率曲線能快速穩定、波動很小。在變化的光照和負載條件下，所設計的獨立太陽能發電系統表現出良好的性能，該系統的仿真結果可為將來的工程放大應用提供很好的設計依據。

4結束語

在對獨立太陽能發電系統設計時，為了保證系統在不同氣溫、不同日照條件下工作的穩定性，需要結合當地實際地理情況以及系統中負荷功率對太陽能電池陣列、蓄電池參數進行合理選擇。當太陽能電池陣列的容量選用過大時，不僅會造成對電網建設資金的浪費，而且蓄電池會長期處于充電、飽和狀態，加速蓄電池的老化。而相反，當太陽能電池陣列選用容量太小時，會造成能量的流失，系統中重要負荷斷電等情況，影響供電系統的穩定性。本文利用Matlab建立獨立太陽能發電系統，通過變化的光照和負載條件，考察所配置的蓄電池與太陽能電池對系統功率平衡性能的影響。仿真結果證實合理選擇蓄電池能夠快速響應，并可有效調節系統輸出功率滿足負載需求。

（編輯：莫婕）