云南高原地区农村家用光伏发电系统的设计应用

李伟，李明

云南高原地区农村家用光伏发电系统的设计应用

李伟，李明

（西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

云南高原地区太阳能资源丰富，太阳能发电潜力仅次于水电，但很多地方地形险峻造成缺电、用电难的困境，设计开发的小功率光伏发电系统能解决这些地方的家庭用电问题，期待小型家用光伏发电系统能在云南高原地区推广。

云南高原地区；光伏发电；小型家用光伏发电；系统设计

1 引言

随着传统能源不断消耗和需求量不断加大，全球生态环境污染、能源短缺、极端气候频发问题已是当今国际迫在眉睫亟待解决的重大问题，如今发展可再生能源是替代传统化石能源濒临枯竭的最好的一种途径，也是各国能源产业可持续发展的总趋势。太阳能光伏发电是一种清洁方便获取于一身的能源方式，在中国阳光资源丰富的高原地区应用较为普遍，例如云南高原地区在全国太阳能资源就仅次于与西藏、青海等省区，有数据表明云南全省太阳能资源总储量为3 620～6 682 MJ/m2，相当于每年获得731亿吨标准煤，绝大部分地区的年平均太阳总辐射量为4 500～6 000 MJ/m2，所以云南高原地区有以最少的经济代价获得最高的能源利用效益的得天独厚的巨大优势，使用独立自发自用的小型光伏发电系统能为云南高原偏远山区农村居民不通电、用电难的困境提供了一个比较可行的解决方案。

2 太阳能光伏发电系统

2.1 光伏发电系统概述

光伏发电是太阳能通过太阳能电池板在光生伏特效应作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转化为电能的技术[1]。一般来讲，一个完整的太阳能光伏发电系统由多个部分组成，主要部件有太阳能电池板或光伏阵列、逆变器、切换控制器。

一个典型的光伏发电系统[1]如图1所示。

图1 太阳能光伏发电系统示意图

2.2 光伏发电系统的工作原理[2]

在白天光照条件下，太阳能电池板产生一定电动势，通过串并联的电池组件达到一定要求的直流电压，输入逆变器将直流电转化为交流电提供给家用电器用电，同时充放电控制器对蓄电池进行充电，将电能储存起来，以保证夜间蓄电池为逆变器供应输入电压。

2.3 光伏发电系统形式

目前应用广泛的太阳能光伏发电系统形式主要为并网光伏发电系统和独立（离网）光伏系统[3]，并网光伏系统是直接与电网相连并输送电力的光伏发电系统，独立光伏系统则是依靠蓄电池储存太阳能电池板输出的电能，再由逆变器转换为交流电供电，其特点是不与电网连接，独立发电自用，主要适用于因供电线路架设困难而使电网无法延伸到用户家中的情况，对于云南偏远山区，电网覆盖稀少的地区尤其适合。

2.4 市场前景评估

太阳能光伏发电在现今传统能源危机和环境污染背景下有着鲜明的可持续特征的替代能源，也拥有巨大发展潜力，可以预测，未来将是清洁能源的大行其道的时代，传统化石能源将随着日趋枯竭退出历史舞台。

本文以云南高原家用太阳能光伏发电系统市场前景进行分析。

随着光伏发电成本不断降低及政府补贴到位，光伏发电已成为廉价、低碳、环保的可重复利用的清洁能源。云南拥有丰富太阳能资源，近几年来开始加大太阳能光伏发电产业的扶持，加大投入，光伏发电装机容量逐年提高。但云南高原地区占了全省面积的90%，山高谷深，地势险峻，很多山区经济水平落后，部分地区依然没有通电，山村居民日常照明还在使用蜡烛或油灯，电网覆盖不到村民家中极大影响村民生产生活，经济发展必然受到影响，山村需要发展经济，电力跟不上，决定了太阳能光伏发电系统在这些地区拥有巨大应用市场。据前述光伏发电系统使用成本不断下降，其安装方便、施工量较小，前期投入可由当地政府给与补贴，后期运行成本远低于电网，光伏发电系统在云南高原地区有着不可估量的应用前景。

3 家用小型太阳能光伏系统的设计与选型

3.1 负载分析

根据调查，云南山区农村家庭按农村常驻3～4口人的生活用电需求，用电负载[4]如表1所示。

表1 云南山区农村家庭主要用电负荷表

负载类型规格额定功率/W数量日用时/h日耗电/W·h 照明灯节能灯/LED灯56530 电视机32寸液晶10013300 卫星接收机 251375 电饭煲4 L50011500 电磁炉 1 200111 200 洗衣机波轮25011250 电脑台式30011300 饮水机立式30011300 合计 2 68014162 955

一户山区农村家庭用电即使满功率用电次数也较城市居民少，不少农村居民还保留了烧柴烧煤的生活习惯，日均、年均用电消耗比城市小很多，因此云南山区农村家庭用电负荷平均在3 kW以下，一个3kW光伏发电系统是具有代表性的应用实例。

3.2 太阳能电池板阵列设计与选型

太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅电池三种[3]，多个太阳能电池单元通过串并联形成阵列，实现将光能转换为电能。目前单晶硅和多晶硅电池较非晶硅电池转化率高，使用寿命较长，且技术比较成熟，市场化应用比较普遍，综合考虑之下，决定采用性价比更高的多晶硅电池。

太阳能电池组件总容量的设计公式为：

总=H/H=1.5H/m[5]（1）

式（1）中：总为太阳能电池组件功率单位瓦，W；H为用电负载功率，W；m为当地峰值日照时间，h。

经查云南地区平均峰值日照时间为4.47 h，将数据代入式（1）可得总为1 005 W。本设计选用10块110 Wp/12 V电池组件，2块串联5块并联共1 100 W构成电池阵列。

3.3 逆变器的选型

太阳能电池阵列一般输出为直流12 V、24 V、48 V，为了给家用220 V交流负载供电，还需在电池阵列后面加装DC-VC逆变器，将直流电能转换为交流电能。逆变器功率计算公式[6]为：

逆=F/80%（2）

式（2）中：逆为逆变器所需功率；F为用电负载功率。代入数据得逆=3 750 W，可选择合肥阳光公司的SG4KTL-M逆变器。

3.4 控制器选型

控制器是光伏的核心部件之一，主要作用是控制太阳能电池组件所发的电能进行调节控制，对蓄电池组起到过充过放、短路、防反接等多项保护作用。

总=总/（3）

式（3）中：总为太阳能电池组件工作电流；总为太阳能电池组件功率；为系统工作电压，取24 V。代入数据得总=41.88 A，因此可选择24 V/50 A的控制器。

3.5 蓄电池的选择方案

蓄电池的作用是将白天负载工作剩余的电能储存起来，晚上或光线阴暗时再将存储的电能通过逆变器供给负载用电。常见的蓄电池主要有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池和磷酸铁锂蓄电池。其中又以铅酸蓄电池价格低廉、易于维护、使用寿命长等优点应用最广，所以本设计选用铅酸蓄电池作为储能设备，蓄电池参数中最重要的就是容量，其计算公式[1，7]为：

=0/d（4）

式（4）中：为蓄电池容量值，kW·h；0为每天平均用电量，kW·h；为最长连续无日照天数，取3 d；d为蓄电池放电深度系数，取0.75；为逆变器转换效率，取0.85。代入数据计算得：=3×3/0.75×0.85=14.12 kW·h，采用12 V蓄电池，以Ah（安时）单位表示时的蓄电池容量0=/12= 1 176.7 Ah。

蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压；蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量。因此可选用12块标称电压12 V，200 Ah的铅酸蓄电池，2串6并起来使用，可与24 V直流系统工作电压一致。

4 结语

光伏产业发展至今，政府扶持在整个发展中占据主导地位，政策倾斜、资金补贴使得更多的光能资源丰富之地得以发挥巨大功效，本文所开发的小型3 kW光伏发电系统能为云南偏远山区用电困难、缺电、少电的地方起到积极的推广示范作用，改善村民的生活质量，也能使村民在一定程度上摈弃长期以来砍伐树木取材烧火的不利于环保的习惯，随着光伏发电成本不断降低和政府资金投入，光伏发电系统将成为这些地区的用电首选，完全是可行和可能的。

［1］廖育武，薛建科.光伏发电技术原理及工程应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2018.

［2］魏学业，王立华，张俊红.光伏发电技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2018.

［3］任新兵.太阳能光伏发电工程技术［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［4］付宏才，董晓.云南农村家用太阳能光伏发电系统的设计与探讨［J］.机电产品开发与创新，2015（5）：11-13.

［5］王影星.家用离网型太阳能光伏发电系统设计［J］.科技与企业，2015（24）：184-186.

［6］杨军杰.青藏高原家用太阳能光伏发电系统的设计及应用研究［J］.青海师范大学学报（自然科学版），2014（4）：70-73.

［7］县永平.常用3 kW太阳能光伏发电系统设计方案［J］.甘肃科技，2011（9）：69-73.

TN615

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.016

2095－6835（2019）24－0040－02

李伟（1973—），云南昆明人，本科，实验师，研究方向为电气自动化及电子技术实验教学。

〔编辑：严丽琴〕