基于PVsyst的戶用獨立光伏發電系統優化設計

肖友鵬

(江西科技學院機械工程學院，江西南昌330098)

基于PVsyst的戶用獨立光伏發電系統優化設計

肖友鵬

(江西科技學院機械工程學院，江西南昌330098)

基于PVsyst軟件優化設計戶用獨立光伏發電系統，模擬系統運行性能。系統能量利用率為69.2%，用戶需求滿足率為94.3%，設計的獨立光伏發電系統整體性能表現良好。為了提高系統設計的可靠性、效率、精度，工程技術人員應該利用PVsyst軟件和其他模擬軟件作為光伏系統設計和優化的輔助工具。

光伏發電；PVsyst；優化設計

可再生能源是解決環境污染、臭氧層破壞、溫室氣體排放、能源需求緊張等問題的必由之路[1]，可再生能源包括了太陽能、風能、生物質能等。利用可再生能源發電特別是太陽能光伏發電，能夠為人們提供能源的同時給生活帶來便利。世界范圍內電力供應的不足和低成本電力需求正驅動著太陽能光伏發電的發展。利用太陽能光伏發電較為便利，可以為邊遠農村地區的醫療、教育、通信、照明、水利和農業提供電力，近年來還發展了光伏制冷技術，出現了許多成功應用案例。

太陽能光伏發電系統的設計和安裝人員使用較為簡單的工具對系統的規模進行設計，而科研人員和工程師使用更加精密的模擬仿真工具進行優化。仿真優化軟件應該具備預先可行性分析、系統設計、優化等功能，進一步地為系統配置所輸入和輸出的信息能夠調整項目進程[2]。PVsyst是日內瓦大學開發的一個軟件包，已經成為模擬光伏發電系統性能的美國工業標準。

PVsyst軟件可以對獨立、并網和水泵光伏系統進行設計、優化和仿真，可以精確分析和評價不同方案及其結果，用以獲得最優的技術和經濟方案，并且比較特定光伏項目不同技術方案的性能表現。本文涉及3 kW戶用獨立光伏發電系統的設計，優化太陽能光伏方陣和蓄電池的容量，為家庭提供每日所需的電力，并且用PVsyst工具模擬系統的設計和運行性能，提出技術性分析方法。

1 系統設計參數

南昌位于東經116°，北緯28°，海拔22m，查閱美國國家航空航天局(NASA)數據庫獲取氣象數據如表1所示。

對于獨立光伏發電系統，采用固定式安裝，為滿足冬季(1月～3月)的用電需求，選取冬季發電量最優。光伏方陣朝向正南布置，傾斜角為41°，太陽能輻射的轉換因子(FT)即相對透射率為1.23，如圖1所示。

南昌地區典型家庭負載包括電燈、電視機、洗衣機、冰箱和空調，每天負載數據如表2所示，同時假設負載在一年中每天用電情況相同，從表2可計算出家庭負載功率為3 kW，日均用電量QL約5.6 kWh/d。

圖1 光伏方陣布置方位角和傾斜角

2 系統組成

獨立光伏發電系統的組成單元包括了光伏方陣、蓄電池、控制器、逆變器和負載。在獨立光伏發電系統中，太陽能光伏方陣將太陽能轉換為DC電，帶有MPPT功能的控制器保證蓄電池不過充電和過放電，電能可以儲存在蓄電池中以備夜晚和陰雨天使用，逆變器將DC電轉換為AC電，供日常AC負載使用。

光伏方陣由10塊組件全部并聯而成，選用的是英利能源公司的型號為YL210(156)的多晶硅太陽能光伏組件，具體參數如表3所示。系統裝機容量為2.10 kWp，所有組件總面積約為17.0m2。

太陽電池板安裝時需要留有一定的間距，間距確定的原則是冬至日的9：00-15：00不應被遮擋。兩個太陽電池板之間的最小間距可由式(1)、式(2)、式(3)[3]求得

式中：h為太陽高度角；ψ為太陽方位角；φ為南昌地理緯度；δ為太陽赤緯，冬至日為－23.5°；ω為太陽時角，取9：00時角45°，考慮南昌與北京的經度差別，修正為41°；θ為太陽電池板的傾斜角即41°；L為太陽電池板的長度即1 650mm，計算得間距D/L=1.048，即D=1 729mm，經PVsyst驗證可行。

考慮到光照強度和溫度的影響，光伏組件的性能表現如圖2所示。

圖2 YL210（156）光伏組件不同光照強度和溫度下I-V曲線

隨著光照強度的增大，光伏組件的開路電壓緩慢升高，這說明填充因子FF也在升高，光伏組件的短路電流Isc逐漸升高，短路電流是最大的光生電流，隨著光照強度即光子通量Φ(λ)的升高，由，可知光生電流Iph逐漸升高，由于最大功率Pm=IscVocFF，光照強度的升高使得Isc、Voc、FF都有不同程度的增加，進而使得Pm增加。

短路電流Isc與溫度之間的關聯性并不是很大，隨著溫度的上升Isc略有增加，這是因為半導體禁帶寬度隨溫度的上升而減小使得光吸收隨之增加的緣故，然而這是一個比較微弱的影響。對硅太陽電池而言，開路電壓與溫度之間的依賴關系可近似表示為[5]：

溫度的上升主要影響開路電壓Voc和填充因子FF，兩者都隨溫度上升而減小，從而導致了輸出功率的下降。隨著溫度的上升半導體的禁帶寬度Eg變小，本征載流子濃度ni增加，暗飽和電流I0增大，導致開路電壓的下降。對于硅太陽電池而言，開路電壓與溫度之間的依賴關系可近似表示為[6]：

因此光伏組件的最大功率點不是固定不動的，光照強度增大，最大功率增大，溫度升高，最大功率減小，因此需要進行最大功率點跟蹤(MPPT)。

選用Electrona公司型號為3Q14-Strating的鉛酸蓄電池2串5并，蓄電池組電壓為24 V，容量為1 095 Ah，具體參數如表4所示。

3 仿真結果

表5結果顯示水平面上全年太陽能總輻射為1 321.1 kWh/m2，這是輸入到軟件的值；因為入射角調整和陰影效應引起光學損耗，有效太陽能總輻射為1 284.0 kWh/m2，比水平面上低31.7 kWh/m2。系統全年發電量為2 221.3 kWh，系統未利用發電量為164.65 kWh。用戶可利用電量為1 927.6 kWh，負載所需電量為2 044.0 kWh，失電量為116.42 kWh。

光伏發電系統仿真詳細損耗如圖3所示，系統每年由于溫度、太陽能輻射量、組件自身質量等因素引起年發電量能量損失較大，其中由太陽輻射弱光損耗為6.1%，由溫度引起的損耗為8.2%，由光伏組件自身質量引起的損耗為1.3%，組件之間失配引起的損耗為1.8%，線路損耗為0.8%。

圖3光伏發電系統一整年損失示意圖

圖4 為日均每kWp發電量示意圖，其中日均每kWp未使用的、潛在可利用的光伏方陣發電量Lu為0.21 kWh，這是蓄電池處于充滿狀態所致；日均每kWp光伏方陣損耗Lc為0.74 kWh，包括溫度、線纜、組件質量、組件失配、陰影、灰塵等引起的損耗；日均每kWp系統損耗Ls為0.17 kWh，包括蓄電池無效損耗和逆變器損耗；日均每kWp系統發電量Y f為2.51 kWh。

系統能量利用率(PR)和用戶需求滿足率(SF)如圖5所示，圖5中Yr(Yield)是沒有考慮任何損耗、由廠家在標準測試條件下確定的理想方陣發電量。PR的計算方法為Y f/Yr，計算結果為69.2%，通常PR值在60%～80%之間[6]，這表明在分析期內還是有30.8%的太陽能由于線路損耗、熱損耗、組件和逆變器效率因素、組件缺陷等因素沒有轉換為可利用的電能。SF為94.3%，其計算方法為(EUsed)/(E Load)，也就是光伏發電系統所發電量能滿足用戶94.3%的用電需求，系統性能良好。

圖4 日均歸一化發電量(每kWp)

圖5 系統利用率和用戶需求滿足率

4 結論與建議

以南昌地區為例，基于PVsyst軟件優化設計用戶獨立光伏發電系統，系統能量利用率為69.2%，用戶需求滿足率為94.3%，系統整體性能表現良好。太陽能是綠色環保的可再生能源，利用光伏發電技術將太陽能轉換為電能，既能滿足用戶用電需求，又不消耗化石能源，也不排放二氧化碳和污染物，有利于節約化石能源和保護自然生態環境。安裝于住宅和商業建筑上的獨立光伏發電系統一般來說都是小型的光伏系統，自發自用，在不久的將來會成為電力供應的重要來源，政府政策應該致力于激勵個人和投資者對太陽能光伏發電技術的投資。為了提高系統設計的可靠性、效率和精度，工程技術人員應該利用PVsyst軟件和其他模擬軟件作為光伏系統設計和優化的輔助工具。

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[2]IRWANTO M，IRWAN Y M，SAFWATII，etal.Analysis Simulation of the Photovoltaic OutputPerformance[C]//2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference，Langkaw i，The Jewelof Kedah：PEOCO2014，2014：4-25.

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[5]GREENM A.太陽電池：工作原理、技術和系統應用[M].狄大衛，譯.上海：上海交通大學出版社，2010.

[6]PHOTOVOLTAIC G.Solar Energy Generation[M].Berlin：Sprin ger-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co K，2005.

Optimaldesign of stand alone photovoltaic powergeneration system based on PVsyst

XIAO You-peng
(College ofMechanical Engineering，JiangxiUniversity ofTechnology，Nanchang Jiangxi330098，China)

A stone-alone photovoltaic power generation system was designed and the system operation performance was simulated based on PVsystsoftware.The results show that the performance ratio is 69.2%and the solar fraction is 94.3%;the overall performance of the system is excellent.In order to im prove the reliability，efficiency and accuracy of the design，engineer and technologist should use PVsyst software and other simulation software as the supplementary tool for the design and optim ization ofa photovoltaic system.

photovoltaic power generation;PVsyst;optim ization design

TM914

A

1002-087X(2016)07-1454-04

2015-12-03

江西科技學院2015年度校級自然科學研究項目(ZR15YB12)

肖友鵬(1979—)，男，江西省人，講師，博士生，主要研究方向為光伏材料與器件。