一种独立光伏发电系统的设计和仿真研究

闫富平

（国网榆林供电公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

文明进步和社会发展一直都以消耗传统化石能源和破坏生态环境作为代价。地球上的常规或者非常规能源（除了核能和深地热能外）都是受到太阳能的各种作用转化而来的，太阳能主要有以下特点：1） 资源丰富。太阳已存在约46亿年，太阳每年辐射到地球的能量是世界年均能耗的数万倍[1-3]。2） 分布广泛，处处可用。太阳能可就地开发，就地利用，对偏远地区有重要意义。3） 清洁、可再生。在利用太阳能的过程中，几乎不会对生态环境平衡造成破坏，能减少污染物的排放量，有利于可持续发展。因此，太阳能的应用前景十分广阔。目前，利用太阳能的主要方式有光电转换、光热转换、光化学转换以及储能技术等。从产/销量、发展速度和发展前景上看，光伏发电一直处于各种太阳能利用技术的领先地位。

该文以上海地区的通信基站作为研究对象设计了独立光伏空调系统，并利用软件模拟系统在实际条件下的运行状况，根据实际天气状况对光伏发电系统、建筑形式和空调系统进行匹配设计，从而得出光伏发电系统的最佳设计方案。利用MATLAB/SIMULINK建立光伏空调系统模型，模拟空调在全年（重点是夏季）工况下的实际运行情况，对光伏最大功率点跟踪原理（MPPT）进行阐述和仿真模拟并分析仿真结果。

1 通信基站独立光伏空调系统

由于光伏发电系统在制冷空调领域具有较高的匹配性，因此对其进行研究具有很大的实际意义。太阳能属于清洁可再生能源，一般情况下，日照辐射强度与用户冷负荷呈正相关。日照辐射越强，用户所需制冷量就越大。由此可见，光伏发电与制冷空调具有最佳的匹配性。光伏制冷技术是将光伏发电技术与传统制冷技术相结合，主要有2种形式：1） 光伏发电系统和珀尔帖（Peltier）效应的应用[2]。该形式的原理是利用特种半导体材料组成P-N结，再通过光伏发电系统提供的电能来制冷或产热，其优点是无制冷剂、无运动部件等，主要缺点是制冷效率较低、价格太高。随着半导体的发展，这种半导体制冷技术已实现商业化应用。2） 光伏发电系统和传统制冷系统的应用。冰箱、空调等制冷器件的成熟度很高，市场上有很多成熟的产品，维护十分方便。光伏发电制冷主要包括光伏发电系统和制冷系统，由光伏产生的电能来驱动制冷系统运行。

独立光伏空调系统包括2个部分：交流独立光伏发电系统和空调系统。主要包括空调功率、光伏阵列参数、控制器参数、逆变器容量、蓄电池参数以及蓄电池容量等。主要设计流程一共分为7个步骤，分别是确定房间负荷、确定空调功率、确定所需电压、蓄电池定容、设计光伏阵列、确定逆变器容量以及确定控制器参数。

该文的研究对象为上海郊区某一空旷地带的无人值守通信基站模型，如图1所示。该通信基站机房的内部建筑面积为20 m2，高3 m，建筑的方位角为正南朝向，四周外墙为砖混结构（370 mm厚度的砖墙，内外表面为石灰砂浆抹灰），顶部为外表面防水砂浆抹灰的400 mm钢筋混凝土盖板，南部设有安全防盗门，一侧墙壁设有吸风口，对面墙壁设有出风口。

图1 通信基站平面示意图

通信基站机房内的主要设备有通信设备、电源设备及温控箱、空调设备、传输设备、照明设备和消防设备[4]。

通信基站机房的负荷主要包括内部设备和围护结构，内部发热设备主要为通信机柜、传输设备和开关电源，蓄电池组、温控箱、照明设备和消防设备的发热量较小，忽略不计[5]。机房内部设备散热量见表1，工程计算简化电功耗近似为热量，因此Q1≈4.34 kW。

表1 通信基站机房内部各设备散热量

考虑机房安全防盗门和通风一般为常关状态，计算围护结构负荷时不予考虑，砖混结构通信基站围护结构负荷的具体情况见表2。

表2 砖混结构通信基站围护结构负荷

空调制冷量范围须为2.46 kW～ 5.74 kW。设备选用直流变频节能型通信基站专用空调，具有可实现软启动、避免频繁启停、无电网冲击、快速冷暖、高精度温控、可远程监控和节能稳定等特点，具体参数见表3。

表3 直流变频无人基站用空调具体参数

对蓄电池的容量设计基本要求是保证在太阳辐射量连续低于需求时，空调仍可以正常工作。在设计蓄电池容量的过程中，需要考虑2个主要因素：自维持天数n和负载要求。蓄电池的容量一般不宜设计过大，会导致系统成本过高；也不宜设计过低，不能满足光照不足时负载的使用需求。系统蓄电池总容量计算公式见文献[6]。

蓄电池连接示意图如图2所示，对蓄电池的串、并联设计来说，当蓄电池串的并联数大于4时，难以保持并联导线的阻抗一致性，造成蓄电池呈现不同的充放电趋势。

图2 蓄电池组串、并联连接示意图

市场上成熟的产品很多，单晶硅光伏电池以其效率高、价格低等优势迅速发展，该系统选用的单晶硅光伏组件标准测试环境下具体参数见表4。

光伏阵列按照示意图如图3所示，阵列的方位角与建筑朝向相同，为正南方向，最佳倾角为27°，安装在通信基站机房顶和周围地面上。间距通常设计为冬至日09:00～15:00，太阳能方阵不会产生遮挡。

图3 光伏阵列间距计算示意图

太阳高度角α和太阳方位角β如公式（1）所示。

式中：φ为纬度，φ=31.4°；δ为冬至日的赤纬角，δ=-23.45°；ω为冬至日9：00的时角，ω=45°。

计算得出太阳高度角α=20.27°，太阳方位角β=43.75°。

光伏阵列间距d+D和投影L如公式（2）所示。

式中：k为光伏电池板的宽度，k=0.991 m；h为光伏组件最高点与地面的垂直距离。

计算得出光伏阵列间距最小d+D=0.883+0.880=1.763 m，为了避免相互遮挡，间距留有余量，取2 m。

光伏阵列安装布置采用分层结构得到最大的光照面积，蓄电池组用于储能。

逆变器容量设计选型主要与负载功率、负载功率因数和逆变器效率有统计学意义，如公式（3）所示。

式中：P为空调额定功率；P1为功率因数，P1=0.8；ηinv为逆变器效率，ηinv=95%。

计算得出逆变器容量Cinv=3.16 kW，选用正弦波逆变器，电磁干扰小且逆变效率高。

2 独立光伏空调系统模拟分析

系统所使用的JASOLAR / JAM6（K）-72-350/PR光伏组件的主要参数见表4。

表4 光伏组件的具体技术参数

光伏模块模型等效为电流源、二极管和由材料的电阻特性及损耗等因素造成的电阻。光生电势外加负载产生了光电流，其值取决于太阳的辐射照度、电池面积和电池温度等因素。负载的电流I和电压V如公式（4）所示[7-8]。

式中：I3为光生电流；I4为光伏电池在无光照条件下的反向饱和电流；I5为负载短路电流；R1为串联电阻；R2为并联电阻；q为电子电荷常数，q=1.6×10-19C；A为二极管常数因子，当正电压偏大时A=1，当正电压偏小时A=2；K为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；T为绝对温度值。

系统组件在全年标准日逐时运行MPPT控制仿真结果，每月都在12：00达到峰值，因为此时光照强度最高，早晚发电量较少，光照强度弱。

3 模拟结果与分析

代入全年模块数据，重复光伏模型和MPPT模糊控制仿真就可以得出系统全年运行模拟结果，与标准日的模拟结果相比，数据基本符合，如图4所示。观察光伏发电系统全年运行模拟结果，1—5月系统发电量逐渐增加；6月上海地区正值梅雨季节，总云量和低云量都较高，日照辐射强度较小，导致系统发电量明显低于5、7月，因此在曲线上形成明显低谷；7—8月为盛夏，多晴朗干燥天气，低云量也少，日照辐射强度也为全年最高，因此在曲线上形成峰值部；9月为上海地区后汛期，总云量和低云量明显高于8、10月，日照辐射强度明显降低，因此在曲线上形成明显转折；10—12月系统发电量逐渐降低，12、1月在曲线上形成谷值部。

图4 光伏发电系统全年运行发电量

夏季气温较高，空调负荷大，7—8月光伏系统的发电量能满足空调和蓄电池储能的使用需求；6月梅雨季节和9月后汛期，光伏系统的发电量较低，不能满足需求，需要考虑额外电网补充蓄电池电能配合光伏系统；其他月份气温较低，光伏系统基本可以满足需求。

4 结语

该文研究了基站机房空调用独立光伏发电系统的仿真运行，研究内容包括介绍独立光伏发电系统、对基站机房空调匹配设计独立光伏发电系统和模拟系统仿真运行。通过仿真能够得到不同工况下的光伏组件I-V和P-V输出曲线以及最大功率点跟踪。仿真证明了该文所提的估算方法更接近具体工况下的光伏组件的实际输出，光伏模型更精确。