云南高原地區(qū)農(nóng)村家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李偉，李明

云南高原地區(qū)農(nóng)村家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

李偉，李明

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

云南高原地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能發(fā)電潛力僅次于水電，但很多地方地形險(xiǎn)峻造成缺電、用電難的困境，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)能解決這些地方的家庭用電問(wèn)題，期待小型家用光伏發(fā)電系統(tǒng)能在云南高原地區(qū)推廣。

云南高原地區(qū)；光伏發(fā)電；小型家用光伏發(fā)電；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著傳統(tǒng)能源不斷消耗和需求量不斷加大，全球生態(tài)環(huán)境污染、能源短缺、極端氣候頻發(fā)問(wèn)題已是當(dāng)今國(guó)際迫在眉睫亟待解決的重大問(wèn)題，如今發(fā)展可再生能源是替代傳統(tǒng)化石能源瀕臨枯竭的最好的一種途徑，也是各國(guó)能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的總趨勢(shì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種清潔方便獲取于一身的能源方式，在中國(guó)陽(yáng)光資源豐富的高原地區(qū)應(yīng)用較為普遍，例如云南高原地區(qū)在全國(guó)太陽(yáng)能資源就僅次于與西藏、青海等省區(qū)，有數(shù)據(jù)表明云南全省太陽(yáng)能資源總儲(chǔ)量為3 620～6 682 MJ/m2，相當(dāng)于每年獲得731億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，絕大部分地區(qū)的年平均太陽(yáng)總輻射量為4 500～6 000 MJ/m2，所以云南高原地區(qū)有以最少的經(jīng)濟(jì)代價(jià)獲得最高的能源利用效益的得天獨(dú)厚的巨大優(yōu)勢(shì)，使用獨(dú)立自發(fā)自用的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)能為云南高原偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村居民不通電、用電難的困境提供了一個(gè)比較可行的解決方案。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能通過(guò)太陽(yáng)能電池板在光生伏特效應(yīng)作用下，太陽(yáng)能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[1]。一般來(lái)講，一個(gè)完整的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，主要部件有太陽(yáng)能電池板或光伏陣列、逆變器、切換控制器。

一個(gè)典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理[2]

在白天光照條件下，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生一定電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)串并聯(lián)的電池組件達(dá)到一定要求的直流電壓，輸入逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電提供給家用電器用電，同時(shí)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將電能儲(chǔ)存起來(lái)，以保證夜間蓄電池為逆變器供應(yīng)輸入電壓。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)形式

目前應(yīng)用廣泛的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)形式主要為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立（離網(wǎng)）光伏系統(tǒng)[3]，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是直接與電網(wǎng)相連并輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立光伏系統(tǒng)則是依靠蓄電池儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板輸出的電能，再由逆變器轉(zhuǎn)換為交流電供電，其特點(diǎn)是不與電網(wǎng)連接，獨(dú)立發(fā)電自用，主要適用于因供電線路架設(shè)困難而使電網(wǎng)無(wú)法延伸到用戶家中的情況，對(duì)于云南偏遠(yuǎn)山區(qū)，電網(wǎng)覆蓋稀少的地區(qū)尤其適合。

2.4 市場(chǎng)前景評(píng)估

太陽(yáng)能光伏發(fā)電在現(xiàn)今傳統(tǒng)能源危機(jī)和環(huán)境污染背景下有著鮮明的可持續(xù)特征的替代能源，也擁有巨大發(fā)展?jié)摿Γ梢灶A(yù)測(cè)，未來(lái)將是清潔能源的大行其道的時(shí)代，傳統(tǒng)化石能源將隨著日趨枯竭退出歷史舞臺(tái)。

本文以云南高原家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)前景進(jìn)行分析。

隨著光伏發(fā)電成本不斷降低及政府補(bǔ)貼到位，光伏發(fā)電已成為廉價(jià)、低碳、環(huán)保的可重復(fù)利用的清潔能源。云南擁有豐富太陽(yáng)能資源，近幾年來(lái)開(kāi)始加大太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的扶持，加大投入，光伏發(fā)電裝機(jī)容量逐年提高。但云南高原地區(qū)占了全省面積的90%，山高谷深，地勢(shì)險(xiǎn)峻，很多山區(qū)經(jīng)濟(jì)水平落后，部分地區(qū)依然沒(méi)有通電，山村居民日常照明還在使用蠟燭或油燈，電網(wǎng)覆蓋不到村民家中極大影響村民生產(chǎn)生活，經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然受到影響，山村需要發(fā)展經(jīng)濟(jì)，電力跟不上，決定了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在這些地區(qū)擁有巨大應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)前述光伏發(fā)電系統(tǒng)使用成本不斷下降，其安裝方便、施工量較小，前期投入可由當(dāng)?shù)卣o與補(bǔ)貼，后期運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在云南高原地區(qū)有著不可估量的應(yīng)用前景。

3 家用小型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

3.1 負(fù)載分析

根據(jù)調(diào)查，云南山區(qū)農(nóng)村家庭按農(nóng)村常駐3～4口人的生活用電需求，用電負(fù)載[4]如表1所示。

表1 云南山區(qū)農(nóng)村家庭主要用電負(fù)荷表

負(fù)載類(lèi)型規(guī)格額定功率/W數(shù)量日用時(shí)/h日耗電/W·h 照明燈節(jié)能燈/LED燈56530 電視機(jī)32寸液晶10013300 衛(wèi)星接收機(jī) 251375 電飯煲4 L50011500 電磁爐 1 200111 200 洗衣機(jī)波輪25011250 電腦臺(tái)式30011300 飲水機(jī)立式30011300 合計(jì) 2 68014162 955

一戶山區(qū)農(nóng)村家庭用電即使?jié)M功率用電次數(shù)也較城市居民少，不少農(nóng)村居民還保留了燒柴燒煤的生活習(xí)慣，日均、年均用電消耗比城市小很多，因此云南山區(qū)農(nóng)村家庭用電負(fù)荷平均在3 kW以下，一個(gè)3kW光伏發(fā)電系統(tǒng)是具有代表性的應(yīng)用實(shí)例。

3.2 太陽(yáng)能電池板陣列設(shè)計(jì)與選型

太陽(yáng)能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅電池三種[3]，多個(gè)太陽(yáng)能電池單元通過(guò)串并聯(lián)形成陣列，實(shí)現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)換為電能。目前單晶硅和多晶硅電池較非晶硅電池轉(zhuǎn)化率高，使用壽命較長(zhǎng)，且技術(shù)比較成熟，市場(chǎng)化應(yīng)用比較普遍，綜合考慮之下，決定采用性價(jià)比更高的多晶硅電池。

太陽(yáng)能電池組件總?cè)萘康脑O(shè)計(jì)公式為：

總=H/H=1.5H/m[5]（1）

式（1）中：總為太陽(yáng)能電池組件功率單位瓦，W；H為用電負(fù)載功率，W；m為當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)間，h。

經(jīng)查云南地區(qū)平均峰值日照時(shí)間為4.47 h，將數(shù)據(jù)代入式（1）可得總為1 005 W。本設(shè)計(jì)選用10塊110 Wp/12 V電池組件，2塊串聯(lián)5塊并聯(lián)共1 100 W構(gòu)成電池陣列。

3.3 逆變器的選型

太陽(yáng)能電池陣列一般輸出為直流12 V、24 V、48 V，為了給家用220 V交流負(fù)載供電，還需在電池陣列后面加裝DC-VC逆變器，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。逆變器功率計(jì)算公式[6]為：

逆=F/80%（2）

式（2）中：逆為逆變器所需功率；F為用電負(fù)載功率。代入數(shù)據(jù)得逆=3 750 W，可選擇合肥陽(yáng)光公司的SG4KTL-M逆變器。

3.4 控制器選型

控制器是光伏的核心部件之一，主要作用是控制太陽(yáng)能電池組件所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，對(duì)蓄電池組起到過(guò)充過(guò)放、短路、防反接等多項(xiàng)保護(hù)作用。

總=總/（3）

式（3）中：總為太陽(yáng)能電池組件工作電流；總為太陽(yáng)能電池組件功率；為系統(tǒng)工作電壓，取24 V。代入數(shù)據(jù)得總=41.88 A，因此可選擇24 V/50 A的控制器。

3.5 蓄電池的選擇方案

蓄電池的作用是將白天負(fù)載工作剩余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，晚上或光線陰暗時(shí)再將存儲(chǔ)的電能通過(guò)逆變器供給負(fù)載用電。常見(jiàn)的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰離子蓄電池和磷酸鐵鋰蓄電池。其中又以鉛酸蓄電池價(jià)格低廉、易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最廣，所以本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，蓄電池參數(shù)中最重要的就是容量，其計(jì)算公式[1，7]為：

=0/d（4）

式（4）中：為蓄電池容量值，kW·h；0為每天平均用電量，kW·h；為最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)日照天數(shù)，取3 d；d為蓄電池放電深度系數(shù)，取0.75；為逆變器轉(zhuǎn)換效率，取0.85。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=3×3/0.75×0.85=14.12 kW·h，采用12 V蓄電池，以Ah（安時(shí)）單位表示時(shí)的蓄電池容量0=/12= 1 176.7 Ah。

蓄電池串聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)工作電壓/蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓；蓄電池并聯(lián)數(shù)=蓄電池總?cè)萘?蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量。因此可選用12塊標(biāo)稱(chēng)電壓12 V，200 Ah的鉛酸蓄電池，2串6并起來(lái)使用，可與24 V直流系統(tǒng)工作電壓一致。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，政府扶持在整個(gè)發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，政策傾斜、資金補(bǔ)貼使得更多的光能資源豐富之地得以發(fā)揮巨大功效，本文所開(kāi)發(fā)的小型3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)能為云南偏遠(yuǎn)山區(qū)用電困難、缺電、少電的地方起到積極的推廣示范作用，改善村民的生活質(zhì)量，也能使村民在一定程度上擯棄長(zhǎng)期以來(lái)砍伐樹(shù)木取材燒火的不利于環(huán)保的習(xí)慣，隨著光伏發(fā)電成本不斷降低和政府資金投入，光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為這些地區(qū)的用電首選，完全是可行和可能的。

［1］廖育武，薛建科.光伏發(fā)電技術(shù)原理及工程應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2018.

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TN615

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.016

2095－6835（2019）24－0040－02

李偉（1973—），云南昆明人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化及電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕