太阳能光伏发电技术在海南地区低温储粮中的应用研究

张红建，邹 易，赵 阔，陈 艳，郑联合，谢更祥

海南省粮油科学研究所 (琼海 571400)

2017-06-16

海南省科学事业费项目(项目编号：2013-02)。

张红建，男，1989年出生，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白。

*通讯作者：谢更祥，男，1968年出生，工程师，研究方向为粮食储藏与害虫防治研究。

太阳能光伏发电技术在海南地区低温储粮中的应用研究

张红建，邹 易，赵 阔，陈 艳，郑联合，谢更祥*

海南省粮油科学研究所 (琼海 571400)

对海南地区某占地面积为270 m2的粮仓屋顶铺设太阳能光伏发电系统进行了研究，通过对光伏发电类型、太阳能组件、离网逆变器等的选择，设计并铺设了一个总直流输出功率为29 160 W的离网太阳能光伏发电系统。正常情况下，该系统日平均产生直流电量116 kW·h，平均系统转换效率为0.65，能提供220 V、50 Hz的交流电量75.4 kW·h，能全天候24 h为2台2匹空调提供电能。如外网每年再辅以4 050.9 kW·h电能用于谷物冷却机在粮温升高时对其进行降温，则1年内仓库中平均粮温维持在20 ℃条件下的时间达到10个月，可基本实现准低温储藏。

海南地区；太阳能光伏发电；低温储粮

海南为高温、高湿、高盐地区，粮食在储藏过程中极易陈化。通常，稻谷在该地区储藏2年，各项质量指标便达到“轻度不宜存”水平。大量研究表明[1-3]，低温储粮能有效延缓稻谷陈化，延长稻谷储藏期。但低温储粮所用设备，如谷物冷却机和空调机组等，耗电量大，储粮成本高，这大大限制了低温储粮在海南地区的推广与应用。

近年来，随着太阳能光伏发电技术的快速发展以及政府部门的大力倡导与支持，通过屋顶光伏并网发电系统给居民楼提供日常照明、空气调节等已广泛应用。粮仓所在地一般较为空旷，屋顶无遮阳且面积大，是利用太阳能光伏发电的有力场所。因此，部分专家学者也以开展用太阳能光伏发电为谷物冷却机、空调机组等提供动力来实现低温储粮的研究。张民平[4]等在上海地区某粮库仓顶安装了1 600 m2，总装机功率155 kW的光伏电站，实现了夏季发电量47.4 kW·h，冬季发电42.7 kW·h。黄志甲[5]等在安徽国家粮食储备库建立了直流总功率为162 kW的光伏屋顶发电系统，年发电量达到166.3 MW·h。黄志军[6]等通过在粮食仓库屋面铺设太阳能光伏陶瓷瓦556.2 m2，每年太阳能光伏发电量达到40 000 kW·h。

海南地处热带北缘，年光照达1 750～2 650 h，光照率达50%～60%，光温充足，太阳能可利用率大。但利用太阳能光伏发电技术在海南地区实施低温储粮的研究尚属空白。因此，本文以海南地区某库为例，设计、安装粮仓屋顶光伏发电系统，并对其在低温储粮中的应用效果进行分析，以期为太阳能光伏发电技术在海南地区低温储粮中的推广应用提供借鉴。

1 库区基本条件及光伏发电系统设计要求

1.1库区基本条件

仓库为平房仓，宽9 m，长42 m，装粮线高6 m，平屋顶，屋顶无隔热措施，屋顶面积为378 m2。试验时将仓库分成2个廒间，一1个廒间为9 m×30 m，另1个廒间为9 m×12 m。选择9 m×30 m的廒间为试验仓，在其屋顶铺设太阳能光伏发电组件。9 m×12 m的廒间不作处理。

仓库周围无大型建筑，屋顶无遮阳情况。根据美国NASA(航空航天局)的网站查询可知，库区峰值日照时数为4.44 h，太阳能光伏发电潜力巨大。

1.2设计要求

根据海南地区温度高、全年温度较为平均以及台风较多的特点，本光伏发电系统应满足一下几点要求：一是，光伏发电能全年维持在较为恒定的水平，能为空调机组全年稳定供电；二是，光伏组件在安装时应充分考虑台风对组件的影响，严防组件被台风刮倒。

2 光伏发电系统设计

2.1光伏发电系统规模及运行方式

本光伏发电系统安装于试验仓屋顶，电池组件总安装面积小于270 m2，装机总设计容量在30 kWp左右。系统装机容量较小，且主要用于为空调机组供电，再加上并网相关手续较为繁琐，因此，该系统采用离网型光伏发电系统。

2.2太阳能电池组件的选择

目前，我国常用的电池种类有单晶硅电池、多晶硅电池以及非晶硅电池。单晶硅电池性能稳定，光电转化率在15%左右，但价格稍微高，适用于阴雨较多，阳光相对不足的地区。多晶硅电池光电转化率在12%左右，略低于单晶硅电池，但其制造材料简便，生产成本低，较适用于太阳能充足的地区。非晶硅太阳能电池制造方法与以上两种完全不同，硅材料消耗很少，电池可以制成很薄，对太阳光照条件要求较低，但其光电转化率仅为10%左右。本系统选用英利公司的YL135P-17b型多晶硅电池组件。电池组件各参数见表1。

表1 电池组件各项技术参数

2.3太阳能离网逆变器的初选

离网逆变器选择时应充分考虑其可靠性、高效率性以及对蓄电池组过放电保护的功能。考虑到海南地区夏季温度较高，且时有台风经过，因此该地区使用的离网逆变器应具有散热能力和抗不良环境能力强的特点。小型逆变器发电效率较高，系统配置灵活，散热能力强，故障维修方便。经多方详细调查、比较，本系统初步选用合肥阳光牌离网逆变器SN110 5KSD1，见表2。

表2 离网逆变器技术参数

2.4太阳能电池组件方阵的确定

离网逆变器允许输入电压范围在99～150 V，电池组件峰值功率电压为17.6 V，因此，组件最大串联数为8(件)。而电池组件开路电压为22.3 V，当串联组件为7(件)时，串联组件的最高电压已达到156.1 V，超过离网逆变器允许输入的最大电压150 V。因此为更好的保护设备，串联组件选择6(件)。此时，离网逆变器输入电压为105.6 V，最大输入电压为133.8 V。

离网逆变器输入额定电流为51 A，电池组件峰值功率电流为7.67 A，因此组件最大并联数为6组。而电池组件开路电流为8.2 A，并联组件后，离网逆变器的最大输入电流为49.2 A<51 A。因此，电池组件并联6组可行。

通过以上分析，太阳能电池方阵的组件串联数目为6件，并联回路为6组。一个方阵的面积为：36×1.47×0.68=35.98 m2，本系统的总方阵数量为：屋顶面积×0.85/35.98=6(线路和维修占用面积为屋顶面积的15%)。总太阳能组件数为216件，总直流输出功率为29 160 W。

2.5太阳能电池组件方阵方位角及倾斜角的确定

太阳能电池组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角(向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度)。一般情况下，方阵朝向正南(即方阵垂直面与正南的夹角为0°)时，太阳电池发电量是最大的。葛强[7]等研究发现电池板在0°方位角的发电量比90°方位角发电量增加了12.63%。倾斜角是太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角，最佳倾斜角为太阳能电池年发电量最大时的年间最大倾斜角，一般与当地纬度有关，纬度越高，相应的倾斜角也越大。因海南地区纬度相对较低，阳光充足，但时有台风发生，结合以上因素，本系统的太阳能电池组件以考虑稳固性为主，因此决定采用平铺式。

2.6离网光伏电气设计

每个太阳能电池列阵均采用一个直流防雷汇流箱将方阵中并联的6股小电流汇成1股大电流。6个方阵共6台直流防雷汇流箱。每个汇流箱的输出端，均接入一个离网逆变器的输入端，便于离网逆变器将接入的高压直流转化为220 V的交流。6台直流防雷汇流箱共6台离网逆变器。6台离网逆变器都汇入1台交流配电箱中，交流配电箱作为一个集中的为负载提供电能的接口。

2.7监控管理系统、安全措施等设计

本系统采用RS485通讯方式，将发电系统中采集的如逆变器工作参数、环境气象参数等发送给监控主机。可通过组态逻辑实现自动闭环控制操作，也可实现人工控制。在安全措施上，系统配备自动检测、自动报警、自动控制等一系列功能。同时，仓房屋顶、配电箱、逆变器等都装有防雷装置，所以设备都具有良好的接到保护。

3 离网光伏发电系统应用效果

3.1系统发电量

本系统装机总容量29 160 W，安装完成后该系统已正常运行1年。在此期间，晴朗天气下，该系统日平均产生直流电量116 kW·h。本系统在发电过程中，由于离网逆变器、蓄电池、系统损耗等电量损耗原因，系统转换为220 V、50 Hz交流电供空调机组使用时其平均系统转换效率为0.65，即每日太阳能光伏系统能提供220 V、50 Hz的交流电量75.4 kW·h为空调机组供电。

3.2太阳能光伏供电条件下粮温变化情况

根据以上情况，本试验仓安装了2台2匹的空调(2台空调功率共2 940 W)，每日24h全天候开机以维持仓内稻谷在较低温度，空调机组日耗电量共为70 560 W·h<75.4 kW·h，因此，本太阳能光伏系统能维持2台2匹空调每日24 h为粮库供电。

在2台2匹空调控温条件下，2015年7月至2016年7月之间，仓库内平均粮温变化情况如图1所示。由于每年6～10月期间，海南地区气温较高，即便在空调机组控温条件下粮堆平均温度仍持续上升，至10月中旬，粮堆平均温度接近23 ℃。此时，利用1台谷物冷机对粮堆进行降温处理，谷物冷却机电能由外网提供，其功率为64.3 kW，工作63 h后，粮堆平均温度降至16 ℃左右，此过程共消耗外网电能4 050.9 kW·h。然后继续开启空调机组对粮温进行维持。粮食在储藏过程中粮温虽不断升高，但至2017年7月，粮堆平均温度仍低于20 ℃。因此，只要外网提供4 050.9 kW·h电能，太阳能光伏发电所得电能就能维持该试验仓中1年内有10个月平均粮温低于20 ℃。

图1 粮堆平均温度随时间的变化曲线

4 结论

海南为高温、高湿地区，粮食储藏过程中极易陈化。利用海南地区日照时间长、太阳能资源充足的特点，在库区屋顶铺设太阳能光伏发电系统为粮库提供电能实现低温储粮是解决以上问题的有效办法。本文以海南地区一个占地9 m×30 m、装粮线6 m的平房仓为例，研究在该仓房屋顶铺设太阳能离网光伏发电系统，通过对光伏发电类型、规模、太

阳能组件、离网逆变器等的选择，设计、铺设了一个总直流输出功率为29 160 W的离网太阳能光伏发电系统。目前该系统已正常运行1年，晴朗天气下，该系统日平均产生直流电量116 kW·h，能全天候24 h为2台2匹空调提供电能。在以上条件下，外网每年再辅以4 050.9 kW·h电能用于谷物冷却机在粮温升高时对其进行降温，则1年内仓库中平均粮温维持在20 ℃条件下的时间达到10个月，基本可实现准低温储藏。

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ApplicationonsolarphotovoltaicpowergenerationtechnologyinlowtemperaturestorageofHainanarea

Zhang Hongjian, Zou Yi, Zhao Kuo, Chen Yan, Zheng Lianhe, Xie Gengxiang*

Hainan Institute of Grain and Oil Science (Qionghai 571400)

A solar photovoltaic power generation system was built on the roof of a granary in Hainan. Through the selection of photovoltaic power generation type, solar module, off-grid inverter, a off-grid solar photovoltaic power generation system was designed and layed， whose total DC output power is 29 160 W. Under normal circumstances, the system generates direct current average daily volume is 116 kW·h, the average system conversion efficiency is 0.65, can provide 220 V, 50 Hz AC power 75.4 kW·h, can be all-weather 24 h for 2 sets of 2 air-conditioning to provide electricity. Such as an external network supplemented by 4 050.9 kW·h per year for the grain cooler to cool the grain temperature when it rises, the average grain temperature in the warehouse within 1 year is maintained at 20 ℃ for 10 months, it can basically achieve quasi-low temperature storage.

Hainan area; solar photovoltaic power generation; low temperature storage

S379

B

1672-5026(2017)05-073-04