PVSYST光伏发电课程设计.

家用独立光伏发电系统的优化设计
(武汉工程大学理学院 , 武汉 ,430200
摘要 :针对目前世界能源逐步短缺,为使太阳能这一新能源更好的服务于千家万户用电需求,以武汉地区为例, 根据当地的气象、环境状况及具体负载情况,进行家用独立光伏发电系统设计,对系统的光伏倾角、光伏电池板、蓄电池、控制器及逆变器等进行了优化的设计与选择, 在满足用户供电需求下, 尽量减少初始投资, 同时简单介绍了下设计过程中应注意的事项 [1]。

用专业的光伏软件 PVSYST 对设计方案进行仿真, 对用户能量利用率、蓄电池工作进行了分析,可知该光伏系统用户需求满足率为 94.1%,能量利用率为 71.7%,系统几乎能满足用户的需要。

关键词:家用光伏发电系统; PVSYST 仿真;光伏电池板;能量利用率
中图分类号:文献标识码:
0引言
在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形式下,太阳能光伏发电技术普遍得到各国政府的重视和支持。

我国也在最近几年加快了可再生能源的发展,光伏发电以它最具可持续发展这一特有的优势在中国能源结构中占据着十分重要的地位。

我国 2009年开始启动政策扶持太阳能发电, 2020年装机容量预计达到 20GW ,目标超过日本。

光伏发电已由补充能源向替代能源过度 [2]。

作为光能转换为电能的关键部件一太阳能电池,其实转换效率受到限制。

单晶硅电池的实验室效率目前为 24.7%,多晶硅电池的实验室效率达到 20.3%,但在国内实际商用电池方面,单晶硅电池转换效率大部分在 16%左右,多晶硅电池转换效率在 13%-15%之间。

2010年 5月左右,晶澳太阳能公司实现了单晶硅电池转换效率达到 18.7%,这个转换效率居世界领先水平。

由于同一地点每日天气状况,气候条件等限制,接收到的总辐射量不尽相同, 本文利用可以查阅的近年来气象数据如海拔、经纬度、阴雨天数、最长连续阴雨间隔、风速、地面每平方米的总辐射、散射辐射等信息,利用 PVSYST 软件建立家用
独立光伏发电系统模型。

查阅相关文献,设置软件里面的一些参数, 以月为单位来模拟光伏阵列的每月发电情况,使发电能够满足该地家庭用电的基本要求。

1独立光伏发电介绍
一般来说,独立运行光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。

太阳能电池阵列是整个系统能源的来源,它把照射在其表面的太阳能转化为电能:控制器是整个系统的核心部件之一,可采用光伏电池的最大功率点跟踪 (MPPT、能量管理和变换器输出控制,其运行状态决定着系统的运行状态,系统在控制器的管理下运行;蓄电池的功能在于,储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能,并在无光照时向负载供电;逆变器是将直流电变换为交流电的设备,由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电,因此当系统向交流负载供电时,逆变器是不可缺少的 [3]。

典型的家庭独立光伏发电系统结构如图 1
图 1独立光伏发电系统结构图
Fig.1stand-alone PV power system
1.1独立光伏发电原理
光子照射到金属上时,它的能量可以被金属中某个电子全部吸收,电子吸收的能量足够大,能克服金属内部引力做功,离开金属表面逃逸出来,成为光电子。

“光生伏特效应” ,简称“光伏效应” ,指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

它首先是由光子(光波转化为电子、光能量转化为电能量
的过程;其次,是形成电压过程。

有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通, 就会形成电流的回路。

光伏电池是以半导体 PN 结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础, 直接将光能转换成电能的能量转换器件。

目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。

用的硅是“提纯硅” ,其纯度为“ 11个9” ,比半导体或者说芯片硅片“只少两个9” [4]。

光伏电池工作环境中的多种外部因素,如光照强度、环境温度、降雨等都会对电池的性能指标带来影响,而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。

为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能,其制造工艺、组合安装,以及在设计配套的控制系统时,都要考虑改善光伏电池外特性的问题。

2系统设计
2.1设计要求以及情况
离网系统的设计过程是依据武汉的气象地理条件和负载用电需求分析,最终确定电池阵列的功率、安装倾角、光伏控制器、逆变器功率,蓄电池组容量等参数的计算过程。

衡量光伏系统优劣的主要指标是其可靠性和经济性 [5]。

因此最优化设计的任务是通过科学的分析计算, 使光伏系统既能长期可靠地满足用户负载的合理用电要求,又能使系统配置的容量最小,有最佳的经济性,节省投资费用 [6]。

然而由于光伏系统的运行牵涉的影响因素很多,关系错综复杂,在作离网型设计时,依据“总发电量”满足“总耗电量”的原则,对某些非主要的因素作了简化处理。

以下是武汉的气象地理条件:
表 1武汉近年来气候
Table 1climate of wuhan
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
平均最高气
温(摄氏度
8.19.614.62126.229.832.932.727.822.716.410.5
平均最低气
温(摄氏度
-0.51.46.11217.721.825.224.619.413.47.21.5
降雨日数 8101314131211991097
武汉位于北纬 30.6度,东经 114.1度,平均海拔 27米,处于 8时区。

1981-2000年总共出现 26次春季连阴雨天,最大连续阴雨天数 22天(1992年 3月 3日— 4月 3日仅出现一次,但 6天 -8天的次数较多, 达 12次。

设计以冬天为参照。

2.2软件参数设置
查阅武汉气象局有关信息,得到地面总辐射与当地平均温度的关系
表 2武汉地面总辐射与温度
Table 2global diffusion and temperature of wuhan
月份 123456789101112
总辐射 79.777.3100.4121.5138.9139.2152.5146.6121.897.786.718.4
温度
摄氏度
5.37.210.81
6.921.324.526.425.622.618.112.5
7.3
将上图武汉地区总辐射与温度数据导入 PVSYST 软件中, 在数据库中就存储有相关资料。

在软件中设置倾角为 43度,方位角设为 0度。

此时倾角转移系数为1.23,倾角转移损失率为 0。

以武汉某家庭负载数目及用电量为依据,该用户有 18w 的荧光灯 8个,每天平均使用 5小时;有 120w 的电视机、电脑 2个,每天平均使用 3小时;洗衣机 1台,冰箱 1台。

详细参数如下表:
表 3某用户负载表
Fig.3consumers’ daily consumption
数量功率使用时间
荧光灯 818w/盏 5h/天
电视机,电脑 2120w/个 3h/天
冰箱 11000wh/天
洗衣机 1600wh/天
2.3蓄电池容量与并串联数目
蓄电池组的容量 Bc 计算公式为:
h c
o c A C N
T Q A B L ×××=
(1
公式(1中 A 为安全系数,根据情况在 1.2— 1.4间选取; Q 为负载平均耗电量,为工作电流乘以日工作小时数; N 为该地区最长连续阴雨天数;为温度修正系数,一般在 0摄氏度以上取 1, -10度以上取 1.1, -10度以下取 1.2; C 为蓄电池放电深度[1,5]。

h
112275
. 01
8 2405. 13040(4. 1c A B =××÷××=
为了达到系统的工作电压,需将蓄电池串联起来,为了达到蓄电池的总容量,需将蓄电池并联起来, 但需要注意的是在实际应用中,应尽量减少蓄电池的并联数量(一般不超过 4组 ,进而减少蓄电池之间的不平衡造成的影响。

蓄电池标称电压系统工作电压蓄电池串联数 =
(2
蓄电池标称容量
蓄电池总容量蓄电池并联数 =
(3
该光伏发电系统的工作电压设定为 24V ,选用蓄电池的标称电压为 12V ,所以得到串联数目为 2;蓄电池的总容量通过计算为 1122Ah ,选用蓄电池的标称容量为200Ah ,所以得到的并联数目为 6,即蓄电池组由 12块 200Ah/12V的阈值型免维护铅酸电池先两两串联再并联而成。

电池组件串联数目组件峰值工作电压
系数系统工作电压 43. 1×=
(4
公式(4中系数 1.43是光伏电池方阵的峰值电压与系统工作电压的近似比值。

逆变器效率系数
组件损耗系数充电效率系数组件日平均发电量(负载日平均用电量
电池组件并联数 ×××=
h A (5
(4 式中系统工作电压为 13V , 组件峰值工作电压为 15V , 带入公式计算的电池组件串联数目为 2; (5 式中负载日平均用电量为 3040wh ,组件平均发电量约为
240wh ,查阅相关资料设组件损耗系数为 0.9充电效率系数为 0.9,逆变器效率为 0.8,计算的并联数目为 20。

设置好 PVSYST 的相关参数后,软件中模拟系统电线损失率达 5%,每个月蓄电池补给天数为 4天, 蓄电池电压为 24V ,软件给出的建议容量为 169Ah ,建议的光伏电池功率为 301Wp 。

设计中选用的蓄电池型号为 PVX-490T ,由 Concorde 公司制造出来的,其电压为12V ,容量为 43Ah 。

总共需 8个蓄电池,采用每 2个蓄电池串联,再将 4串联的并联起来。

此时总的电容可达 172Ah ,能够储存 4.1kWh 的电能。

2.4太阳能电池的选择
选用非晶硅太阳能电池,制造工艺为 a-Si :H single 。

电池型号为 Sunny , Yyp amorph ,由 Star Unity 公司制造,峰值电压为 15V ,开路电压为 22V 。

工作电压为13V ,输出功率为 2瓦。

光伏阵列总共需 152块太阳能电池,采用两两串联,在将 76个串联的并联起来。

阵列总的电压为 32.9V ,电流为 9.1A ,输出功率为
304瓦。

2.5逆变器的选择
该用户总负载为 450.7w ,当负载的总容量大于逆变器总功率的 80﹪时,逆变器会发热过度,从而减少逆变器的使用寿命,所以选择的逆变器容量应大于 563.4w 。

选择 24v 直流变 220v 交流,功率 600w 的逆变器,产品型号为:BDGNB ,由北京博大精创科技有限公司制造。

2.6仿真及优化设计
利用 PVSYST 软件对该系统进行了仿真,从图 2可以看出用户需求满足率为94.1%,而 2,3,6月系统输出不能满足用户需求。

由于光伏倾角按冬季可接受到最大太阳辐射设计,因此 2月、 3月的能量利用率高于其他月份,整体的能量利用率为71.4%。

武汉地区冬季降雪量较大,冬季时间长,温度达到全年最低,日照时间短,故光伏系统的发电量会受到影响,在此期间,用户可以配备其他能源作为补充或相应的减少量 [1,7]。

6月份时温度偏高,并且阴雨天数较多,光伏系统不能有效的发电供给用户使用,故用户满足率偏低。

可适
当的添加备电设备,当发电量不足时,临时为用户供电。

注:PR=系统的产出 /光伏组件收集的能量 =系统的能量利用率
SF=系统的输出 /用户的需求 =用户需求满足率
图 2系统能量的利用率及用户需求满足率
Fig. 2System’s performance ratio and solar fraction
该光伏发电系统中光板的寿命一般为 25年, 蓄电池寿命为 5到 7年, 设整个发电系统的使用周期为 25年,在此期间,还应该更换蓄电池的次数约为 3次。

由下图可知,系统每年由于温度、散射、风速等因素影响年发电能量损失很大。

其中光伏电池自身损
耗达 4.1%，由温度，转换效率带来的损耗达 13.7%。

图 3 系统年能量损失Fig.3 Loss diagram for "New simulation variant"-year 3 结束语本文结合光伏发电系统仿真模型，学习了太阳能光伏发电的相关基本知识，熟悉了太阳能电池板特性，并网逆变器特性，以及最大功率点跟踪等问题。

总结了户用独立光伏发电系统设计步骤，归纳了设计过程中需要注意和解决的问题。

在蓄电池的的容量设计时除考虑蓄电池的最长连续阴雨天外，还考虑了亏电后的最短恢复时间，提高了设计的供电可靠性。

通过 PVSYST 软件对设计系统进行仿真与分析，户需求满足率为94.1%，能量利用率为 71.7% ，系统基本能够满足用户的需要。

由于户用光伏系统的投资较大，使光伏电价比常规电价高出许多，但是却有很好的减排效益，适用于家用。

利用 PVSYST 模型的仿真结果具有很好的准确度；建立了气象条件模块、太阳能电池仿真模型，完成池板日、年发电量计算； ] [参考文献] [1] [2] 杜宗伟,姜凤利,金玉,王萍,等.户用光伏发电系统设计与研究(J.农村网络信息,2011(11:1-4. 张树明,何惊鸿,赵恒利,等.微型固定方阵独立光伏电站设计(J.中国西部科
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