独立户用光伏发电系统的设计与研究

郭亚娟 韩 冰 马 林 戴彬婷 李俊杰

(河北北方学院，河北 张家口 075000)

太阳能光伏发电系统是利用“光生伏特”效应直接将太阳能转换为电能的一种设备，由于产生的电能不能储存，增加蓄电池单元可以在夜晚或者光照条件差的环境下持续给负载供电；对于交流负载，可以加设逆变器将光伏电池产生的直流电转换为交流电供负载使用。通常在光伏发电系统中蓄电池是使用寿命最短的设备，为了延长蓄电池的寿命，达到合理充放电，需要增加控制器防止蓄电池过充或者过放[1]。图1代表了整个光伏发电系统的构成。对于光照充足的情况，剩余电力可以通过配电网并入电网，实现“余电上网”的供电模式[2]。

图1 太阳能光伏发电系统构成

1 客户资源条件及负载需求

为了响应国家发展新能源以及脱贫致富的号召，“光伏扶贫”项目应运而生，根据调查发现张家口一偏远地区的用电情况如表1所示。

表1 居民用电情况

2 蓄电池容量计算

常用的电化学蓄电池可分为铅酸、镉镍、金属氢化物镍、锂离子等类型，其中镉镍及金属氢化物镍电池单元电压(1.2V)低于铅酸电池(2V)和锂离子电池(3.6V)，因此为保证系统电压，需要增加串联个数，随之风险增加。锂离子电池虽然单元电压较高，但价格远远高于铅酸蓄电池，因此从经济性考虑，本设计选择铅酸蓄电池，其中阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)以其免维护的优点在光伏发电系统中广泛应用[3]。

根据居民用电情况，本系统功率较小，可选择24V系统电压。蓄电池的设计思想是保证在太阳光连续低于平均值的情况下负载仍能正常工作，同时为提高经济性，在满足负载需求的同时应尽量减小蓄电池容量。调查估测该地区全年的最大连续阴雨天数为7d。为了避免蓄电池过放电，维持居民的正常用电，蓄电池需要满足7d的供电需求，本设计选用2V，550Ah的VRLA铅酸蓄电池单体，蓄电池最大放电深度DOD为0.6，低温修正系数0.8，计算蓄电池组的容量及串并联方式如下。

蓄电池组串联数：n1=24/2=12个；

蓄电池组并联数：n2=1057/550 ≈2个

根据计算可知需要选择24个2V，550Ah蓄电池12串2并组成蓄电池组，为负载提供电力。

3 太阳能电池方阵的计算

本文所设计的户用光伏发电系统将小型光伏电池板置于用户屋顶或院落内，通过小型逆变器将直流电转换成交流电供用户使用，并且多余的电力还可以并入电网，形成“自发自用，余电上网”的供电新模式。因此合理设计太阳能电池方阵的容量，选用符合要求的太阳能电池是设计独立户用光伏发电系统的重中之重。

当前大规模使用的光伏材料可分为单晶硅、多晶硅以及非晶薄膜材料等，工业用非晶薄膜转化效率低，衰减快，不列为本系统的考虑范围，单晶硅对比多晶硅虽价格不占优势，但转换效率高于多晶硅，从长远考虑，本系统的太阳能电池组件选用单晶硅太阳能电池较为合理。

已知本地最大连续阴雨天数为7d，2段最大连续阴雨天间隔天数为36d，为保证用电需求，蓄电池在两段最大连续阴雨天期间需储存足够下一个连续阴雨天的供电量。本设计选用的单晶硅太阳能电池组件峰值输出功率值为50W，峰值电压为17V，峰值电流为2.94A。查阅全国各省市峰值日照时数查询表，张家口地区平均峰值日照时数为4.53h。

由上最大连续阴雨天蓄电池需存储的电量：

C1=1740×7/(0.6×0.8×24)=1057Ah

两段最大连续阴雨天所需消耗电量：

C2=1740×36/(0.6×0.8×24)=5437.5Ah

单个太阳能组件每天的发电量：C3=2.94*4.53=13.3Ah；

太阳能电池方阵每天的发电量：C4=(C1+C2)/36=180.4Ah；

所以太阳能电池方阵串联数：Ns=C4/13.3=13.5个≈14个；

太阳能电池方阵并联数：Np=24*1.43/17=2个。

4 控制器的选择

控制器在整个光伏系统中起到管理和控制的关键作用。蓄电池使用年限最短，维护成本最高，过度放电可能造成蓄电池的盐化与损坏，过度充电又可能导致蓄电池内压升高，电池变形，甚至出现提前析气等现象，因此合理设计和安装控制器是延长蓄电池寿命的关键环节。

控制器根据连接方式的不同可以分为：串联、并联、多路以及脉宽调制型控制器。其中前两种控制器虽然线路简单、价格便宜，但是无法对光伏系统实现最大功率跟踪的功能，为了充分利用太阳能，达到最大功率跟踪，可采用后2种控制器，但是多路控制器需要足够数量的控制器才能达到最佳跟踪功能，无疑增加系统成本，综合考虑本设计应选择脉宽调制型控制器。该系统的系统电压为24V，因此根据功率大小来考虑选择小型控制器即可达到要求。

通常控制器的安全系数设为1.25，除此之外考虑该系统有0.8的系统损耗，则控制器的最大负载电流为：

I控=(1.25×PL) /(0.8×24)= (1.25×520) /(0.8×24)=33.85A

5 逆变器的选择

逆变器在整个光伏系统中不仅需要具备将直流电转换成交流电的功能，还需要具有基本的过流、过压、反极性、过载等保护功能。并且需要有较高的转换效率，要求输出电压失真度低，因此在选用逆变器时应该保证其基本功能。

逆变器的功率=阻性负载功率×(1.2～1.5)+感性负载功率×(5～7)

根据居民用电情况(表1)确定逆变器功率为：

P逆=1.5×270+6×250=1905W

6 结论

本系统旨在建立一个独立光伏发电系统以保证居民的基本用电情况。经过基本计算可得出以下结论：

(1)蓄电池总容量为1057Ah，可以考虑2V，550Ah的阀控铅酸密闭蓄电池，按照12串2并的连接方式组成蓄电池组进行安装。

(2)设计选用峰值电压为17V，峰值电流为2.94A的单晶硅太阳能组件，14个该组件进行串联，然后再并联2组，可满足负载需求，通过计算可得该太阳能电池方阵的总功率为1400W;

(3)为更好地保护蓄电池，达到最大功率跟踪功能，需要选用脉宽调制型控制器，该控制器的最大负载电流为33.85A。

(4)通过计算可选用2000V·A的正弦波逆变器。