一种智能化分布式光伏住宅的设计与实现

黄杰，于庆广，赵思远

0 引言

目前，建筑能耗较大的问题日渐突出，摆脱对高排放能源的依赖，已经成为从政府到社会民众的迫切愿望[1]。因此高效利用新能源的分布式光伏住宅，是解决能源危机的有效方法。我国863计划明确提出要“开发微网智能监控与能量管理系统，并示范应用”。

国际太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon，SD）是由美国能源部发起并主办的，以全球高校为参赛单位的太阳能建筑科技竞赛。大赛要求在竞赛期间每支参赛队建造一栋60m2~100m2的太阳能住宅，每个参赛的太阳能住宅完全由光伏系统供给所有运行能量并满足日常生活要求：配备电视、冰箱、烹调灶具等日常家用电器及家具等生活设施。大赛将通过对建筑设计、光伏系统、能量平衡等10个单项评比确定最终排名，因此称为“十项全能”竞赛。2002年以来，SD在美国和欧洲成功举办了6次，是各国展示自身新能源技术与节能减排成果的良好机会。2011年，中国举办国际太阳能十项全能竞赛是胡锦涛主席对美国进行国事访问期间与奥巴马总统签署的第一个中美能源合作项目[2]。2013年8月，“SD2013国际太阳能十项全能”在山西省大同市举办，主办方为中国能源局和美国能源部。

本文结合比赛规则、比赛地点的太阳能数据，并根据房屋的建筑设计及负载情况详细介绍并给出了光伏系统设计方案，并设计了具有交互控制功能的智能控制系统，最终根据比赛数据对于房屋设计方案的可行性进行了验证。

1 分布式光伏系统设计与实现

1.1 光伏系统硬件铺设设计方案

光伏系统是房屋的唯一能量来源，对于房屋的能量平衡起到至关重要的作用。

为了美观，本设计只在屋顶放置光伏板。每一块光伏板的尺寸为1650mm*1000mm，屋顶尺寸为12100mm*7200mm，根据屋顶尺寸以及光伏板尺寸，同时考虑到屋顶两侧需要留出位置用来摆放下暖通所需的光热板，因此总共在屋顶摆放下42块光伏板，排列方式为7行6列。本项目将光伏系统直接并入电网，而没有放置储能系统，这是出于以下两点考虑：（1）储能装置其成本昂贵，而且有一定的危险性；（2）由于目前分布式发电只占电网容量的很小一部分，对于电网造成的影响可以忽略不计，因此，接入电网是最方便快捷的方式，只要在入网端加入双向电表则电力部分可以很方便地管理，是目前被国家大力推广的方式。根据组委会提供的三相五线制接口，将光伏板分成3组，每组14块光伏板，对应ABC三相。通过3个并网逆变器接入电网。铺设方案如图1所示：

图1 屋顶PV板铺设方案示意图

1.2 光伏系统设备选择及详细参数计算

光伏系统方案中的设备选择如下：选择晶澳公司型号为JAM6-60-265/SI的光伏板，而逆变器采用的是ABB公司型号为PVS300-4.1KW的逆变器。光伏板的详细参数列表如表1所示：

表1 光伏板参数表

以及逆变器的详细参数列表如表2所示：

表2 光伏系统逆变器参数表

根据两个参数表，可以通过计算验证所选设备的可行性。

A、逆变器直流侧输入最高电压[3]：

计算公式：

块数*开路电压 VOC*（1+电压的温度系数 *（标准温度－（最低温度））=输入电压

考虑最恶劣的状况，标准状况（25℃），最低温度为-20℃，直流输入的最高电压[4]：

对比所选逆变器直流侧输入电压范围为：

620.82 V在这一区间范围内，所以可以满足逆变器的要求。

B、逆变器直流侧输入电流：计算公式：短路电流*（1+电流的温度系数×（最高温度－标准温度））

考虑最恶劣的状况，在最高温度（85℃）下，直流输入的最高电流[5]：

所选的逆变器的最大输入电流为12.7A，8.96小于该值，所以逆变器满足最恶劣情况。

1.3 光伏系统摆放角度计算

光伏板倾斜恰当的角度会比平放大大提高产能效率。因此，光伏系统中也需要倾斜一定的角度。又由于受到限高以及光伏板互相之间的遮挡影响，需要综合地考虑光伏板的倾斜角度。首先，计算SD2013比赛期间（2013.8.2~2013.8.13）大同市比赛现场光伏板的最佳摆放角度。

光伏板的最佳摆放角度为公式（1）：

其中，α为太阳能板相对于地面的倾角，δ为太阳赤纬角，φ 为当地的纬度角。式子中变量只有一个，就是太阳赤纬角δ。对于δ也有如下的计算规则：一年内任何一天的赤纬角δ 可用下式计算[6]为公式（2）：

式中N为日数，自1月1日开始计算。其中，赤纬角在春分和秋分的时候为 0，在夏至的时候达到最大值为+23 °27′，在冬至的时候达到了最小值-23 °27′（注：以上角度正负都是针对北半球的人而言）。依据公式（1）、（2），可以得到最佳摆放角度为公式（3）：

公式（3）中，N为日数，自1月1日开始计算，φ 为当地的纬度角。

查阅大同的地理信息有，大同的纬度为：北纬40'03'16.57"，代入日数 N，可以得到比赛期间（2013/8/3-2013/8/9）光伏板摆放的最佳角度如表3所示：

表3 比赛期间光伏板摆放的最佳角度

计算平均值为23.11°，即最佳摆放角度。

受到整体限高（6m）以及美观考虑，无法将光伏系统全部以最佳角度摆放，而若每块都单独以最佳角度摆放，由于前后排列过于紧密，会造成阴影遮挡，严重影响发电效率和产能。为了解决这一问题，该项目将整个光伏阵列分为前后两排，前3排位前排，后4排为后排，其划分情况如图2所示：

图2 光伏板前后排划分示意图

根据规则中限制高度，可以推算出，后排光伏板在不超限高的情况下最大摆放角度可为 32.68°远大于 23.11°的最佳角度，因此，在比赛期间，光伏板的后排将会按照前面所推算的比赛期间的最佳摆放角度 23.11°来进行摆放。而前排的摆放角度需要考虑两个因素：（1）不会对后排造成阴影；（2）可以使得产能最大。在保证不对后排造成阴影遮挡的条件下，通过计算得到前排不同摆放角度所能增加的百分比如图3所示：

图3 前排升起不同角度时相比平放的效率

通过对比可知前排光伏板摆放角度为8°时可以比平放增加3.02%的产能效率，增加效率最多。另一方面，需要控制前排升起时间，使得随着太阳高度角的变化不会造成前排对后排造成阴影遮挡。具体的升起下降时间如表4所示：

表4 前排光伏板比赛期间升起降落时间表

2 智能控制系统设计与实现

2.1 整体架构及设计

目前，市场上的智能家居控制系统主要存在以下几个缺点：（1）绝大部分产品都只是停留在集中控制家庭中的部分家用电器的开关控制层面上；（2）控制距离上存在短板，产品的大部分功能局限于住宅内短距离控制，并不能实现真正的远程控制，比如在外地出差查看家中用电器的能耗状态；（3）绝大部分控制系统只是实现了集中控制，并没有引入信息智能管理部分，不能够实现对于能源的管理以及能源管理与控制系统之间的交互控制。注意到这3个最重要的短板之后，本系统对于所设计的这套软件系统进行了针对性的改进。其结构设计框图如图4所示：

图4 能源管理与智能控制软件系统结构框图

如图4所示，首先，将家中的各个用电设备分为三大系统：家用电器系统（ABB公司的iBus控制系统），水处理系统，暖通系统。而在这三大系统层之上再架设一层控制层，采用OPTO公司的S2处理器作为控制器，三大系统均可以通过RS-485通讯线与S2进行交互，而S2又通过以太网交换机与上一层同属于OPTO公司的GROOV设备进行交互，通过GROOV将信息以网页的形式发布出去。

这样的结构框图可以解决前文所提到的3个主要缺点，首先是针对于控制对象，如图5所示：

图5 GROOV网页1—主界面

底层的3大系统基本覆盖了家中绝大部分家用电器，而且3大系统中包含有诸如电视调台的功能，所以用户的可控范围已经覆盖了生活中的方方面面。其次是针对于远程控制的短板，通过GROOV，将系统中的信息网页化，并且通过Internet发布出去，这样用户可以随时随地通过登录Internet与家中的各个系统进行交互，因为Internet网路的覆盖优势，所以，实现了真正意义上的远程控制。最后，针对能源管理与智能控制交互的缺点，通过增加一个控制层，可以将3个系统中的能量信息采集并将能量信息送往控制层，在控制层通过S2处理器中编程做相应的智能管理与控制，然后将指令再传送回各个系统，这样便可以实现各大系统间能源管理与控制的交互。

2.2 用户界面设计

根据前文提到的系统结构框图，结合考虑用户的使用习惯，设计出了GROOV网页界面，如图6所示：

图6 GROOV网页2—客厅控制面

图6所示为一部分的GROOV网页。

从图6中可以看到，用户界面具有很好的友好度，通过房间来区分各个用电器，给予用户一个直观的感受，方便用户在繁多的用电设备中找寻自己想要控制的设备。同时，还设置有场景模式，用户可以直接一键修改场景模式，使得家庭中各个用电设备进入不同的场景状态。如想要出远门旅游的时候可以点击进入离家模式，那么家中除冰箱以外的用电器都会关闭，这就免去了用户一个一个去关闭的麻烦。这样也降低了系统使用的复杂度，用户不需要阅读复杂的说明书学习如何使用系统。而在客厅界面中，可以看到本系统不但可以控制各个用电器的开关，还可以控制诸如灯的亮度，百叶、幕围的下降长度等更为高级的功能。而且可以实时查看诸如插座电压、功率这类的能量信息，说明控制器可以实时获得能源信息，并在必要时做出相应的控制指令。具有能源管理与电控系统进行交互的功能。

3 实际运行结果

3.1 实际发电量状况

首先，对于光伏系统的产能状况进行了相应的预测。根据公式[7]：

产能=装机容量*全日照时间*直流侧至交流侧转换效率=11.13*4.310*0.803=38.52kWh/day

可得平放的时候平均每天发电量为38.52kWh。又前排光伏板按照计划倾斜摆放时可以比平放多产能3.02%，而后排光伏板按照最佳角度摆放时比平放多产能9.15%，所以整个系统在倾斜摆放的时候可以比平放增加效率为3.02%*3/7+9.15%*4/7=6.42%。综上通过公式预测计算可得，光伏系统每日正常发电量量为38.52*（1+6.42%）=44.36kWh。

同理，根据大同全年的平均全日照时间为3.696h，因此，全年光伏平放时产能情况为11.13*3.696*0.803*365=12057.35kWh。

比赛7天周期中，根据组委会提供的数据可知光伏系统实际产能情况如表5所示：

表5 比赛期间每日产能状况

从表5可以看到8月7号的产能特别少，这是因为当天全天都在下雨，几乎没有日照，由此也可以看出光伏系统受日照强度的影响非常大。

对比每日产能44.36kWh与预测的40.99kWh，可以看出两者的差距很小。考虑到这7天的数据中有一个阴天影响的数值，而且在大晴天的时候，每天的发电量甚至可以达到61.57kWh，所以，根据上面的预测计算所得到的数值并不能精确预测每一天。但如果对于一个长期的考虑天气影响的时间周期来说，评价每天的发电量还是与预测值相近。而在计算过程中一个很关键的参数——全日照时间，正是考虑了当地的气候影响得到的数值，这也解释了预测的数值对于长时间周期来说是一个较为准确的数值[8]。

3.2 住宅耗能预测与实际结果

本文将耗能设备分成3大系统：暖通系统、照明系统、家电设备，赛前预估出比赛期间各系统的总耗能情况，如表6所示：

表6 预估比赛期间各系统总耗电量列表

同理可以预估出全年各系统的耗能状况，如表7所示：

表7 预估全年各系统总耗电量

根据组委会提供的数据，可知房屋的实际耗电量，如表8所示：

表8 比赛期间7天房屋实际耗能情况

从表 8格中可以得到比赛中 7天的总耗电量为234.69kWh，平均每天的耗能是33.53kWh，而在前文中预测的7天耗电量为166.30kWh。对比实际值234.69kWh与预测值166.30kWh，两者的差距较大，平均每天有10kWh的差值。在实际比赛的观测中，发现每天的暖通设备的耗能需要20kWh左右，而在预测中，暖通耗能预测为10kWh，也正是这部分的数据存在10kWh的出入，导致预测值与实际值有较大的差距。

4.3 能量平衡状况

能量平衡状况，即光伏系统产能能否与系统耗能维持一个合理的平衡区间，若产能比耗能高出太多，那么意味着光伏系统的成本太高，而若产能不足则意味着不满足日常生活要求。下面对比赛期间和全年能量平衡状况进行分析：比赛期间能量平衡状况如图7所示：

图7 比赛期间能量平衡情况

在比赛期间的总发电量为 336.32kWh；总耗电量为276.3kWh（注：这里的总发电量以及总耗能数据是组委会从并网开始计算的，之所以与上面分析所用的数据有出入是因为上面数据采用的是其中完整的 7天数据而不是全部的数据。）能量平衡状况为+60.02kWh，最终在能量平衡项目评比中获得了满分的好成绩（全场第一）。验证了前文设计的发电及用电系统是可以满足需求，即使在比赛中遭遇了连续2天的降雨，依然可以保持能量平衡。且具有一定的稳定性，可以满足绝大多数气候条件。同时能量裕量控制在合理区间内，并不会导致成本过高。

全年能量平衡状况：如图8所示：

图8 全年能量平衡状况

根据前文分析，全年光伏平放时的产能为12057.35kWh，总耗电量为 7315.41kWh，因此，全年的富余电量为4741.94kWh，占总耗电量的64.82%，同样具有富余。同时，看到富余的量并没有比赛期间那么多，这是因为利用的是全年的天气状况来进行计算分析的，因为时间跨度长，因此全年的日照时间不会有太大的突变，并不像比赛期间可能遭遇连续的恶劣天气，因此，在考虑成本的情况下不需要有太大的富余量。所以从全年的角度来看，方案是合理的。用户不但不需要花费电费，还可以反馈电网获得一定的利益。

4 总结

本文所设计的智能化分布式光伏住宅经过了SD2013大赛的各项严苛测试，在大同成功实际运行了一周，获得了组委会的一致好评，表现出了很好的实用性以及可靠性。本文所提出的设计方法具有很好的适用性，可以应用于各类分布式光伏住宅中，具有很好的推广价值。

[1] 白少成.浅谈世界能源危机及中国的战略抉择[J].实验科学与术,2006,S1:168-170.

[2] 国际“太阳能十项全能竞赛”活动在北京启动[J].中国能源,2011,06:47.

[3] 范元亮,赵波,江全元,等.过电压限制下分布式光伏电源最大允许接入峰值容量的计算[J].电力系统自动化,2012,17:40-44.

[4] Barker P.Overvoltage considerations in applying distributed resources on power systems[C].Proceedings of IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. July21-252002.

[5] 王国安,米鸿涛,邓天宏,等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学,2007,S1:161-164.

[6] Carrasco, JM,Franquelo,, LG,Bialasiewicz, JT,et al.Power-Electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey[C]. IEEE Transac-tions on Industrial Electronics. 2006.

[7] G.V. Parishwad,R.K. Bhardwaj,V.K. Nema.Estimation of hourly solar radiation for India[J].Renewable Energy. 2011 (3).

[8] Alquthami T,Ravindra H,Faruque M O,et al.Study of photovoltaic integration impact on system stability using custom model of PV arrays integrated with PSS/E. [C]2010North American Power Symposium.2013.