離網式戶用光伏發電裝置減少二氧化碳排放的方法

雷鵬

(云南電網公司，昆明 650011)

離網式戶用光伏發電裝置減少二氧化碳排放的方法

雷鵬

(云南電網公司，昆明 650011)

介紹一種單相離網式交流戶用光伏發電裝置的功能、結構，能直接與戶用負載聯接，獨立對負荷供電。

二氧化碳排放；光伏發電；離網式；戶用

0 前言

近年，光伏發電產業迅猛發展[1-2]。云南高海拔的山區電力需求小、電網建設難度大、運行維護成本高[3-4]。為了解決無電人口通電，減少二氧化碳排放，研究了一種離網式戶用光伏發電裝置。

1 離網式戶用光伏發電裝置

1.1 云南太陽能資源分析

云南平均海拔2 000 m，屬山地高原地形，大氣層密度低、陽光透過率高、日照時間長，云南約90%以上的地區年太陽輻射量為4 500～6 000兆焦/平方米·年，年日照時間為2 100～2 800小時/年，具有豐富的太陽能資源，具備運用光伏發電的條件[5-6]。

1.2 光伏發電裝置的設計

1.2.1 系統結構圖

離網式戶用光伏發電裝置由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池和電力負載五部分組成，系統結構如圖1所示[7]。

圖1 離網式戶用光伏發電裝置結構圖

1.2.2 居民戶用負載用電量設計

云南邊遠地區每戶居民典型用電負載如表1所示。

表1 云南邊遠地區每戶居民典型用電負載

根據表1，計算每戶居民用電設備總功率P如式 (1)，其中P1、P2和P3分別為照明、電視機和衛星接收器的用電功率。

計算每戶居民用電設備日總用電量Q如式(2)，其中Q1、Q2和Q3分別為照明、電視機和衛星接收器的日用電量。

1.2.3 光伏組件直流電壓設計

根據標準光伏組件產品和蓄電池產品的類型、電氣特性和電壓分類，戶用系統的光伏組件直流電壓UDC設計為12 V。

1.2.4 蓄電池設計

經分析對比傳統開口式鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池的電氣特性和產品分類，并根據光伏組件輸出直流電壓等級，選用12 V免維護閥控密封式鉛酸蓄電池作為戶用系統的電能存儲裝置。計算蓄電池的容量C如式 (3)。

式中，最長無日照天數d設計為3天，滿足在連續3個陰雨天的條件下，系統能正常工作；按工程經驗，蓄電池放電容量的修正系數F取1.2；蓄電池放電深度D取0.5；包括逆變器在內的交流回路損耗率K取0.8[8]，UDC為光伏組件直流電壓；Q為每戶居民用電設備日總用電量。

根據式 (3)計算的蓄電池容量，并聯兩個12 V、200 A·h蓄電池作為戶用系統的電能存儲裝置。蓄電池的主要電氣參數如表2所示。

表2 蓄電池的主要電氣參數

1.2.5 光伏組件陣列設計

根據云南的氣象數據，云南年平均太陽總輻射量為5 596.5兆焦/平方米·年，計算日平均峰值日照時數Tm和光伏組件陣列峰值功率Pm分別如式 (4)和式 (5)。

式中，Q為每戶居民用電設備日總用電量；F為蓄電池放電容量的修正系數；K為逆變器在內的交流回路損耗率。

根據式 (5)計算的光伏組件陣列峰值功率，并聯兩塊12 V、85瓦多晶硅標準光伏組件組建戶用系統光伏陣列。光伏組件的主要電氣參數如表3所示。

表3 光伏組件的主要電氣參數

1.2.6 控制-逆變一體機設計

根據表3所示光伏組件的主要電氣參數，計算光伏組件陣列的最大短路電流ISCM如式 (6)。

式中，Np為光伏組件并聯數；ISC為光伏組件的短路電流；1.25為安全系數。計算控制器最大負載電流I如式 (7)。

式中，1.25為安全系數；P為每戶居民用電設備總功率；K為逆變器在內的交流回路損耗率；U為逆變器輸出電壓，取220 V。

計算控逆一體機的輸出功率PCI如式 (8)。

式中，P為每戶居民用電設備總功率；1.5為安全系數。

根據式 (8)計算的控逆一體機輸出功率，考慮控逆一體機的功率損耗，設計控逆一體機的額定功率為300V·A。控逆一體機的主要電氣參數如表4所示。

表4 控逆一體機的主要電氣參數

控逆一體機具有輸出過載保護、輸出短路保護、輸入接反保護、輸入欠壓保護、輸入過壓保護、蓄電池過放保護、蓄電池過壓保護、蓄電池電壓充電保護、蓄電池開路保護、夜間防反充電保護等保護功能。

1.2.7 光伏組件支架和室內控制柜設計

室外光伏組件支架由熱軋無縫鋼管、表面鍍鋅角鋼和螺栓組成，根據選用的85瓦光伏組件的外形尺寸，室外光伏組件支架結構如圖2所示。

圖2 室外光伏組件支架結構圖

2 結束語

文中研究的離網式戶用光伏發電裝置已廣泛運用于云南邊遠地區，系統結構簡單、運行穩定，節能環保和社會經濟效益明顯。在太陽能資源豐富，具備光伏發電運用條件的地區，該光伏發電裝置的成功運用，將為解決無電人口通電、減少二氧化碳排放提供經濟高效的實施途徑。

[1] A.Luque，S.Hegedus.Handbook of photovoltaic science and engineering[M].USA：Willy press，2002.

[2] Chiang，S.J.，Chang，K.T.，Yen，C.Y. Residential photovoltaic energy storage system[J]，IEEE transactions on industrial electronics，1998，45 (3)：385-394.

[3] 云南省人民政府研究室，等.云南經濟年鑒2013 [M].云南：云南人民出版社，2013.

[4] 云南省統計局.云南統計年鑒2013[M].北京：中國統計出版社，2013.

[5] 林文賢，呂恩榮.云南省太陽能輻射資源研究——總輻射 [J].云南師范大學學報 (自然科學版)，1990，Z1，27-38.

[6] 《云南電力年鑒》編輯部.云南電力年鑒2013 [M].云南：云南人民出版社，2013.

[7] [日]太陽光發電協會.太陽能光伏發電系統的設計與施工 [M].北京：科學出版社，2009.

[8] 何道清，等.太陽能光伏發電系統原理及應用技術[M].北京：化學工業出版社，2012.

Research on CO2Emissions Reduction with Application of Off-grid Household Photovoltaic Generating Appliance

LEI Peng
(Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650011)

one kind of single-phase off-grid household photovoltaic(PV)generating appliance was researched in this paper.An off-grid household photovoltaic generating appliance is a device that is connected to home electrical loads directly and provides electric power supply for family.

CO2emissions；PV；off-grid；household

TM62

B

1006-7345(2014)06-0094-03

2014-10-08

雷鵬 (1978)，男，碩士，工程師，云南電網公司，主要從事電力電子在電力系統中的應用、電網諧波治理和無功補償方面的研究 (e-mail)13708715098＠126.com。