戶用獨立光伏發電系統的優化研究

胡偉霞，楊記鑫

（成都理工大學工程技術學院，四川樂山 614000）

隨著全球能源短缺和環境問題日益突出，太陽能作為可再生能源逐漸受到人們的關注。太陽能光伏發電作為光電轉換的重要技術，具有清潔無污染和效率高等諸多優勢。因此，充分開發太陽能資源，推動光伏發電技術的發展，對于解決能源短缺和保護環境具有重大戰略意義[1-3]。目前，全球還有很多地區沒有通上電，特別是經濟不發達的邊遠地區，由于地理和氣候條件的制約，很難通過建設常規電網來解決用電難題，電力供應嚴重制約著經濟的發展。利用太陽能光伏發電可以建立并網光伏發電系統和互補光伏發電系統等。但是光伏發電系統設計初期的重點是發電系統的容量設計和發電量預測[4-6]。PVsyst 軟件可對離網、并網和水泵光伏發電系統進行優化設計，能對不同方案的性能表現進行分析評價，從而給出最優技術方案。針對家庭日常用電需求，該文借助PVsyst 軟件對樂山地區戶用獨立光伏發電系統項目進行模擬，通過合適設置光伏組件和蓄電池容量等參數，給出最優設計方案，大大縮短了實際光伏系統選型的時間。

1 系統設計

戶用獨立光伏發電系統也稱為離網光伏發電系統，主要由光伏方陣、蓄電池、控制器、逆變器和負載等組成。一般以蓄電池作為儲能裝置，白天有太陽光照時，通過光伏組件收集太陽能發電，再由控制器向蓄電池充電，日照不足或晚上和陰雨天用電時，蓄電池向負載供電[7-8]。對于獨立光伏發電系統，PVsyst軟件采用固定式安裝。為滿足冬季用電需求，常選取冬季發電量最優。

1.1 負載用電情況

樂山地區典型家庭用電負載包括六個20 W 電燈，每日工作5 小時；一臺120 W 電視機，每日工作4 小時；一臺200 W 的電冰箱，日耗電量0.8 kW·h；一臺300 W 的洗衣機，每日工作1 小時；兩臺制冷功率為1 600 W 的空調，日耗電量每臺4.8 kW·h。通過上述可知，家庭負載功率為3.94 kW，日均用電量約為11.92 kW·h。

1.2 環境參數選取

該項目以樂山地區為例，為滿足典型家庭用電需求，采用PVsyst 軟件對戶用獨立光伏發電系統進行詳細設計。首先要設置項目地的地理位置，進而通過軟件導入相應的氣象數據。該項目地樂山位于東經103.73°，北緯29.57°，氣象數據如表1 所示。

表1 樂山地區氣象數據

該氣象數據來源于Meteonorm 7.1 數據庫，包括月平均全局輻射量、月平均漫反射輻射量、月平均溫度和月平均風速。年平均全局輻射量為1 004.6 kW·h·m-2，屬于太陽能資源帶的第五類地區，具有一定的開發價值。

1.3 光伏方陣選型

晶體硅太陽能電池主要包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。目前，市面上單晶硅太陽能光伏電池仍然占較大的份額。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率較多晶硅電池高，商業化光電轉換效率可達17%左右，使用壽命長，最高可達25 年。然而，多晶硅太陽能電池的電池效率為14%左右，使用年限可達20 年[9-10]。該系統主要適用于家庭發電，從性價比考慮，多晶硅電池組件比較合適。該系統光伏組件選用的是Jinkosolar 的JKM 265P-60 型多晶硅電池組件，外形尺寸為1 650 mm×992 mm×40 mm，組件面積為1.637 m2，每塊組件包含太陽能電池片數量為60 個，組件最大功率為250 W，具體參數如表2所示。

表2 光伏組件參數

光伏陣列采用4 串聯5 并聯方式安裝，共接入20 塊組件，每個矩形組件長為3.97 m，寬為1.65 m。陣列占地總面積為33 m2，功率為5.0 kWp。該系統光伏方陣在屋頂正南安裝，傾角為30°，通常不考慮陰影遮擋損失。

1.4 蓄電池和控制器選型

太陽能光伏發電受氣候條件和地理條件等的影響，光伏發電系統具有較大的不穩定性。蓄電池作為儲能裝置，是獨立光伏發電系統的核心組成部分，其作用是儲存電能，在光照不足或陰雨天時保證用戶負載的正常工作[11-13]。蓄電池效率的高低與光伏組件額定容量的大小密切相關，在發電系統成本中占較大比重。蓄電池的選取決定著項目的總投資。因此，在設計蓄電池容量時，要考慮當地連續陰雨天數和蓄電池放電深度對整個光伏系統的影響，同時還要將蓄電池的放電率、環境溫度等因素考慮在內。該系統參數按照實際情況設置如下：允許的缺電概率為5.0%，最長自主供電天數及最長連續陰雨天數為4 天，蓄電池組電壓為24 V，軟件給出蓄電池容量的推薦值為2 138 Ah。

太陽能輻射量隨季節、氣候等條件變化，蓄電池放電時受放電深度的影響，所以蓄電池容量的大小也對光伏方陣的發電量具有較大影響。在滿足負載用電需求時，有多種光伏方陣和蓄電池容量的組合。該系統蓄電池選用德國Sonnenschein 生產的型號為2-KS-33PS 的蓄電池，容量為155 Ah，蓄電池組結構上采用2 串14 并的形式，具體參數如表3所示。

表3 蓄電池參數

在小型光伏發電系統中，太陽能控制器是太陽能離網發電系統的核心部分，它在系統中不僅要具備充電與放電控制的基本功能，還應具備安全的雷電保護、蓄電池極性反接保護、夜間放電保護以及輸出端的開短路、過載等全方位立體保護，以確保整套系統長期穩定運行[14]。該設計系統選用具有MPPT自動跟蹤模式的光伏控制器。為防止供電不足，設計中可加入備用發電機作為備用電源，具體布局如圖1 所示。

1.5 損失設置

發電系統供家庭用戶使用，光伏組件設計為放置在房屋建筑物屋頂。假設該項目周圍無山脈和大型建筑物遮擋，不考慮陰影遮擋損失。當光伏系統設計完成后，點擊detailed losses 進入系統損失設置。系統損失設置分別是系統熱損失、線損、組件失配損失、灰塵損失[15]。按照實際情況設置：Thermal Loss Factor 即陣列的熱損失。選擇自由安裝與空氣流通條件良好，即恒定損耗因子為29 W/m2k、風損耗因子為0 W/m2k/m/s；Ohmic Losses（線損）在直流電路中，損耗選擇默認值1.5%；Module quality-LIDMismatch（不匹配損失和光致衰減）組件的效率損耗一般為3%，組件不匹配損耗為1%；Soiling Loss（灰塵損耗）每年的污物損耗為3%。

2 系統性能分析

該項目對樂山地區戶用獨立光伏發電系統項目進行模擬，通過選取合適的光伏組件和蓄電池等的參數，建立了家庭用戶獨立光伏發電系統的仿真模型。系統發電按照自給自足，自發自用的形式，主要為滿足普通家庭用戶的日常用電需求。利用PVsyst軟件進行仿真設計，經計算得出該項目安裝首年，系統的全年發電量為6 380 kW·h/year，峰瓦發電量為2.79 kW·h/day，光伏陣列損耗為0.78 kW·h/day，系統損耗為0.49 kW·h/day。

1）系統發電效率分析

太陽輻射量、太陽能電池組件轉化效率、蓄電池性能以及系統損失等對光伏系統發電量影響較大。在光伏發電系統實際應用中，發電性能受氣象條件的限制。光伏組件的最大功率點隨溫度和光照強度變化，如圖2 所示，系統能量利用率(PR)為68.8%，用戶需求滿足率(SF)為93.5%。因此，光伏發電系統所發電量能滿足用戶93.5%的用電需求，系統性能良好，達到設計要求。在6-8 月，由于溫度的升高造成系統功率損失，這可以通過選擇合適的光伏充放電控制器，實現光伏方陣最大功率跟蹤功能，盡量減小溫度對光伏組件的影響[16]。

圖3 為系統日均每kWp 發電量示意圖。其中，日均每kWp 未使用以及潛在可利用的光伏陣列發電量Lu為0.99 kW·h，這是因為蓄電池處于充滿狀態；日均每kWp 光伏陣列損耗Lc為0.25 kW·h，包括系統熱損失、線損、組件失配、灰塵損失、輻照損失等導致的損耗；日均每kWp 系統損耗Ls為0.4 kW·h，包括蓄電池自身損耗和逆變器損耗；日均每kWp 系統發電量Yf為2.27 kW·h。

2）系統發電量

系統仿真結果如表4 所示，詳細展示了樂山地區戶用獨立光伏發電系統全年發電量、系統未利用發電量、失電量、用戶可利用電量、負載所需電量和用戶需求滿足率等數據。系統全年發電量為6 380 kW·h，用戶可利用電量為4 147 kW·h，負載所需電量為4 352 kW·h，失電量為205 kW·h。該設計方案可滿足普通家庭日常所需用電，系統整體性能表現良好。

表4 光伏發電系統年發電量仿真結果

3 結論

隨著能源的日益短缺，光伏發電技術在優化能源利用結構方面具有重要意義。為滿足家庭節能用電需求，該文基于PVsyst 軟件對樂山地區裝機容量為5 kW 的戶用獨立光伏發電系統進行模擬。通過合理設置光伏組件參數和蓄電池組參數，得到系統最優年發電量。系統能量利用率為68.8%，用戶需求滿足率(SF)為93.5%。該小型獨立發電系統整體性能表現良好，可滿足家庭日常用電需求。該獨立系統采用自給自足、自發自用的方式，不僅可以降低系統損失，同時也可一定程度上減輕公共電網負荷，有望成為電力供應的重要來源。同時，采用PVsyst軟件作為光伏系統設計的輔助手段可提高系統設計的可靠性，大幅減少設計周期和成本。該設計對實際獨立光伏發電系統的建設具有一定的參考價值。