独立光伏发电系统的设计及应用研究

高林朝，郝庆英，朱业玉，丁 鸣，贾 兵

(1.河南省科学院能源研究所有限公司，河南郑州450008;2.河南省气候中心，河南郑州450003)

太阳能光伏技术和光伏产业近年来得到了快速发展，光伏发电技术是最具可持续发展的可再生能源技术之一。独立光伏发电系统由于其结构简单，体积小且轻，运行维护简单，清洁安全、无噪声、可靠性高、寿命长等特点，已在解决偏远无电地区居民生活用电和工农业生产供电方面得到广泛应用，成为世界各国普遍关注和重点发展的替代常规电源的可再生能源［1-4］。太阳能光伏组件是将太阳辐射能转换为电能的核心部件，光伏发电系统的发电量不仅取决于光伏组件的转换效率，还受太阳辐射、方阵倾角和温度等因素影响。沈辉等［5］研究了太阳能电池制造技术及其改进型电池。狄大卫等［6］对光伏系统控制器件的结构设计进行了研究。如何有效降低光伏发电系统成本，提高发电效率一直是研究人员关注的重点。独立光伏发电系统虽然可以借助蓄电池调节输出供电，但由于蓄电池的放电容量和使用寿命受充电电流、电压和环境温度影响大，往往因亏电或过早失效而造成供电不足、停电等无法满足用户用电需要。为提高光伏发电系统输出性能和工作可靠性，降低发电成本，对独立光伏发电系统的发电量预测、组件阵列最优化组合设计以及蓄电池充放电管理策略等进行深入研究显得尤为重要。河南省地处中国中部偏东、黄河中下游，东西长约580 km，南北跨约550 km。地势基本呈西高东低，平原、山地和丘陵分别占总面积的56%、26%、18%。地跨暖温带和北亚热带2大气候类型，具有明显的过度性特征，使太阳能资源分布和温度的地区差异均较大，这些都是影响光伏发电系统性能的主要因素。本研究以河南地区用户采用独立光伏发电系统，针对不同地理纬度地区的太阳辐射资源分布特征和日照时数等因素，分别设计了不同配置类型的光伏发电系统，并进行了性能分析。旨在为河南地区的独立光伏发电系统应用提供技术参考。

1 自然资源条件

河南省位于北纬31°23'～36°22'，东经 110°21'～116°39'，气候的地区差异性明显，山地和平原气候显著不同。全省年平均气温12.8～15.5℃，年均降水量533～1 380 mm，6～8月降水量占全年总量的45% ～67%。全年无霜期为189～240 d。全省实际日照时数在2 000～2 640 h之间，平均年日照数为2 113 h，日照百分率为45% ～55%。其分布趋势为北部多于南部，平原多于山区。黄河以北大部在2 400～2 600 h，西部山地为2 000 h，其余地区都在2 000～2 400 h。

河南省年平均太阳总辐射为4 735 MJ·m-2。属于太阳能资源较丰富区。其空间分布特征是北部多于南部，南北相差大，高值区在豫北和豫东北的狭长地区，低值区主要分布于豫南和豫西南［7-10］。受地理位置及气候特征的影响，区域分布随纬度变化较为显著，按照太阳年总辐射量的大小划分，豫北地区太阳能资源属Ⅱ类地区，即“很丰富带”，年总辐射量在5 040～6 120 MJ·m-2之间，最高达到5 968 MJ·m-2，开发利用条件较好;豫中黄河沿岸太阳能资源属Ⅲ类地区，即“丰富带”，年总辐射量在3 780～5 040 MJ·m-2之间，虞城地区为5 968.2 MJ·m-2，是全省太阳辐射量最高地区;豫南年太阳能总辐射相对低值区，其中南阳盆地的西南部，驻马店的东北部和信阳大别山的南部年太阳总辐射在4 600 MJ·m-2以下［11］。太阳总辐射量具有明显的季节变化，12月至2月的冬季月份，全省月总辐射量最少，最低月值出现在12月，全省大部分地区不到251 MJ·m-2;最高月值处在夏季(北部出现在6月，南部出现在7月)，一般均在 544 MJ·m-2上;春秋季居中［12］。

2 用电负荷

根据目前河南省偏远地区用户平均基本生活用电需求，设计负载及日用电量。太阳能光伏发电主要用于解决看电视和照明等生活供电，设计用电负荷按电视150 W功率、卫星接收器和DVD机55 W功率、照明灯具60 W功率、电脑340 W功率、电风扇60 W功率考虑，用于保证基本生活用电。用电时间在4 h左右，用电峰值负荷在660 W左右，平均负荷在500 W左右。

3 设计方案

3.1 独立光伏发电系统的构成与工作原理

独立光伏发电系统一般由光伏组件、蓄电池、控制器、逆变器及用电负载等部件构成。独立光伏发电系统原理如图1所示。

图1 独立光伏发电系统原理图Fig.1 Schematic diagram of Stand-alone photovoltaic power generation system

光伏发电系统的基本工作原理为:在晴好天气条件下，太阳光照射到太阳能电池阵列上，由太阳能电池将太阳光能转换为电能，通过直流控制器经过防反充二极管给蓄电池组充电。用电时，一路通过控制器，用于直流负载;另一路通过控制器与逆变器将直流电转换成通常频率和电压的交流电，再经交流配电系统和输电线路将交流电送给负载供电。

3.2 设计计算

3.2.1 不同地理纬度地区水平面上月太阳总辐射数据 通过对现有各种太阳总辐射气候学计算方法的分析对比，确定河南省最佳月太阳总辐射计算公式如式(1)所示。

式中:Q—太阳总辐射月总量，MJ·m-2;a、b—分别为与云量、大气透明状况和地表发射率有关的经验系数，具有地区性和季节性的差异，MJ·m-2·m-1;Q0—月天文总辐射，MJ·m-2·m-1;S—月日照百分率，%。

根据郑州、安阳、郾城、固始各气象站的1990至2009年各月的总辐射和日照百分率实测的统计数据，采用最小二乘法拟合出公式(1)中各月的经验系数，并充分考虑了经验系数a、b的季节性和地区性差异，然后用全省各地市气象台站自建站至2009年间的月日照百分率多年平均值与当地的月天文辐射值代入回归方程［13-16］，计算了河南省各地的月太阳总辐射。选取郑州、灵宝、栾川、郾城、南阳、安阳、夏邑、固始8个代表性地区作为研究对象，8个地区的太阳能辐射资源量如图2所示。

图2 河南不同地区太阳能辐射量Fig.2 The monthly total solar radiation in different areas of Henan

3.2.2 光伏组件阵列各月理论发电量推算 为便于分析比较，以1 000 Wp单晶硅光伏阵列按当地纬度为安装倾角放置条件下，模拟计算光伏组件每月理论发电量。其中，光伏组件阵列斜面上太阳总辐照度由式(2)计算。ID·θ—直射辐射辐照度，W·m-2;Id·θ—散射辐射辐照度，W·m-2;IR·θ—地面反射辐射辐照度，W·m-2。

式中:Iθ—斜面上太阳总辐照度，W·m-2;当光伏组件阵列朝向正南安装倾角按当地地理纬度放置时，斜面上直射辐射辐照度ID·θ可按式(3)求得。

式中:IDH—水平面上直射辐射辐照度，可由当地气象台站的太阳辐射统计数据提供，或由太阳总辐射值分离求得，W·m-2;δ—赤纬角，弧度;ω—时角，弧度;Ф—当地地理纬度，弧度。

斜面上散射辐射辐照度Id·θ可由式(4)计算。

式中:IdH—水平面上散射辐射辐照度，可由当地气象台站的太阳辐射统计数据提供，或由太阳总辐射值分离求得，W·m-2;S—斜面与水平面间的夹角，取当地地理纬度，弧度;

地面上的反射辐射辐照度 IR·θ可用式(5)计算。

式中:ρG—地面发射率，一般取平均值0.2，有雪覆盖地面取0.7。

根据前面计算得到的光伏组件阵列倾斜面上各月平均太阳总辐射量，再由标称太阳能电池板输出功率，标准测试条件下的太阳辐射强度GS和综合修正系数K，可以计算得到组件系统各月的理论发电量，如式(6)所示。

式中:EPM—光伏系统月发电量，kW·h;K—综合修正系数，为考虑了温度影响损失、组件表面尘埃及玻璃盖板老化损失、阵列组合损失和工作点偏离最大功率点损失的综合影响系数，取0.85;PAS—标称太阳能电池板输出功率，PAS=PMS×n(其中，PMS为单位太阳能电池模块在标准试验条件下的输出，kW;n为太阳能电池模块的数目。)，kW;HAM—倾斜面上月累积太阳辐射量，Wh·m-2;GS—标准测试条件下的太阳辐射强度，1 000 W·m-2。

光伏组件发电量计算结果如图3所示。由图3可以看出，由于受当地太阳辐射和环境温度的综合影响，总的趋势是冬季发电量小于夏季，最大值一般出现在5月和8月。由于光伏组件的发电效率与温度成反比，温度每升高1℃，效率下降约0.5%。因此，在比较夏季发电量时，5月份与8月份发电量最大，但在6、7月份由于环境温度较高，大部分地区的发电量相对较少。秋季大部分地区的10月份发电量一般大于9月份发电量。豫北地区冬季最冷月的12月和1月发电量稍大于11月和2月值;豫西南的栾川、南阳和豫南的固始地区由于太阳辐射较弱，全年的发电量较少，在冬季与春、秋季月发电量分别比灵宝、郑州、郾城等地区低20.6～ 26.2 kW·h，即发电量减少 20.3% ～24.4%;夏季发电量减少 12.4% ～15.1%;全年平均发电量减少10.1%。因此，在设计配置光伏组件功率时应考虑地区差异。

3.3 配置选型

在此基础上，同时依据用电负荷、负载特性(每天24 h中不同时间的负载功率)和光伏组件产品序列，确定其系统配置类型。其中，蓄电池容量按式(7)计算［17］:

式中:C—蓄电池容量，kW·h;D—最大供电天数，取4 d;P0—负载平均日耗电量，kW·h;U—蓄电池深放电限度，取0.8;F0—交流配电路效率，取0.95;Fi—逆变器效率，取0.9;K—蓄电池放电容量修正系数，取1.2。

由设定的工作电压，可得蓄电池组的容量Ah。

逆变器容量按式(8)计算［17］:

式中:Pn—逆变器容量，VA;L—负荷功率，W;N—用电同时率，取60%;S—负荷功率因数，取0.9;M—逆变器负荷率，取85%;B—容量修正系数，取 1.2。

考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程有较大的冲击电流，所以逆变器容量应选择较大些。经计算，不同地区户用独立光伏系统配置如表1所示。

3.4 发电性能分析，

由表1所确定的配置，依据当地太阳辐射量、峰值日照时数等气象资料，考虑光伏阵列表面尘埃和玻璃盖板老化损失5%，温度影响损失3%，方阵组合损失4%，工作点偏离峰值功率点损失4%，则光伏阵列利用效率为85%。各地区太阳能光伏组件发电量如图4所示。

表1 光伏系统选型配置表Table 1 PV system configuration parameters

对于光伏阵列把太阳辐射能转化为交流电能，还应考虑蓄电池充放电效率95%，逆变器效率90%，线路及其他损失3%等，则各地区独立光伏系统发电量和用电量的电量关系如图5所示。从图5的性能分析结果看，户用独立光伏发电系统的发电量大于家用电脑、电视和照明灯具的用电量，配置满足了无电户的基本生活用电。

图4 不同地区光伏组件发电量Fig.4 PV modules power generation in different areas of Henan

图5 不同地区独立光伏系统发电量与用电量关系Fig.5 Comparison of PV systems power generation and electricity demand in different areas of Henan

4 运行效果与经济性分析

户用独立光伏发电系统已先后应用于河南省“户户通”电力建设光伏项目当中，并于2010—2011年在郑州、灵宝、南阳、固始等地进行了试点示范。依据不同的地理纬度和气候条件，进行不同的系统配置。平均每套户用系统建设初投资约28 750元。自安装调试完成并开始运行以来，经过2年多的实际运行，目前设备工作正常，运行稳定可靠，系统发电量能够较好满足照明、看电视等用电需要。运行期间，分别对光伏系统交流发电量、负荷运行时间、环境温度进行监测，记录了光伏系统发电量、电视、电脑、照明灯等负载运行时间。测试方法参照GB/T 19064—2003，气候观测借鉴当地近邻的市县气象观测站数据。其中，环境温度、太阳辐射强度及累计辐射量采用TRM123型温度辐射仪自动记录存储数据。所有风速值采用QDF热球微风仪自动记录。电量测试安装DDS8666单相电子式电能表，定时人工读取。

在示范地区安装的多套户用独立光伏发电系统(8套)，户用独立光伏发电系统平均年发交流电量可达1 040 kW·h，预计运行25 a，系统衰减第1年按2%，以后每年按不超过0.56%计(25 a衰减不超过15%)，25 a共发电23 902.34 kW·h。铅酸蓄电池每5 a更换1次，在其间更换4次，48 V480 Ah蓄电池组每次更换费用3 020元，25 a内总投资37 630元，平均每度电约1.57元。按等价折标煤系数0.329 kgce·(kW·h)-1计，25 a内相当于节约标煤7.86 tce，相当于减少CO2的排放18.5 t，对环境保护具有重要作用。

5 结论

1)光伏组件在河南不同地区的发电量差异较大，豫北和豫东北地区发电量最大，豫南和豫西南地区发电量最小。在冬季与春、秋季月发电量相差20.3% ～24.4%，夏季发电量相差 12.4% ～15.1%，全年平均发电量相差10.1%。

2)光伏组件冬季发电量小于夏季。一般情况下，夏季的5月与8月发电量最大，6，7月发电量相对较少;秋季大部分地区10月发电量一般大于9月发电量。在设计配置光伏组件容量时应考虑地区与季节差异。

3)河南地区户用独立光伏发电系统应用结果表明，光伏组件功率990～1 110 W，蓄电池组容量400～480 Ah的系统配置，年发电量可达1 040 kW·h，可满足无电户的基本生活用电。

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