獨(dú)立戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

郭亞娟 韓 冰 馬 林 戴彬婷 李俊杰

(河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用“光生伏特”效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種設(shè)備，由于產(chǎn)生的電能不能儲(chǔ)存，增加蓄電池單元可以在夜晚或者光照條件差的環(huán)境下持續(xù)給負(fù)載供電；對(duì)于交流負(fù)載，可以加設(shè)逆變器將光伏電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負(fù)載使用。通常在光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池是使用壽命最短的設(shè)備，為了延長(zhǎng)蓄電池的壽命，達(dá)到合理充放電，需要增加控制器防止蓄電池過(guò)充或者過(guò)放[1]。圖1代表了整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成。對(duì)于光照充足的情況，剩余電力可以通過(guò)配電網(wǎng)并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“余電上網(wǎng)”的供電模式[2]。

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

1 客戶資源條件及負(fù)載需求

為了響應(yīng)國(guó)家發(fā)展新能源以及脫貧致富的號(hào)召，“光伏扶貧”項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)張家口一偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電情況如表1所示。

表1 居民用電情況

2 蓄電池容量計(jì)算

常用的電化學(xué)蓄電池可分為鉛酸、鎘鎳、金屬氫化物鎳、鋰離子等類型，其中鎘鎳及金屬氫化物鎳電池單元電壓(1.2V)低于鉛酸電池(2V)和鋰離子電池(3.6V)，因此為保證系統(tǒng)電壓，需要增加串聯(lián)個(gè)數(shù)，隨之風(fēng)險(xiǎn)增加。鋰離子電池雖然單元電壓較高，但價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池，因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，本設(shè)計(jì)選擇鉛酸蓄電池，其中閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)以其免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[3]。

根據(jù)居民用電情況，本系統(tǒng)功率較小，可選擇24V系統(tǒng)電壓。蓄電池的設(shè)計(jì)思想是保證在太陽(yáng)光連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍能正常工作，同時(shí)為提高經(jīng)濟(jì)性，在滿足負(fù)載需求的同時(shí)應(yīng)盡量減小蓄電池容量。調(diào)查估測(cè)該地區(qū)全年的最大連續(xù)陰雨天數(shù)為7d。為了避免蓄電池過(guò)放電，維持居民的正常用電，蓄電池需要滿足7d的供電需求，本設(shè)計(jì)選用2V，550Ah的VRLA鉛酸蓄電池單體，蓄電池最大放電深度DOD為0.6，低溫修正系數(shù)0.8，計(jì)算蓄電池組的容量及串并聯(lián)方式如下。

蓄電池組串聯(lián)數(shù)：n1=24/2=12個(gè)；

蓄電池組并聯(lián)數(shù)：n2=1057/550 ≈2個(gè)

根據(jù)計(jì)算可知需要選擇24個(gè)2V，550Ah蓄電池12串2并組成蓄電池組，為負(fù)載提供電力。

3 太陽(yáng)能電池方陣的計(jì)算

本文所設(shè)計(jì)的戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)將小型光伏電池板置于用戶屋頂或院落內(nèi)，通過(guò)小型逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電供用戶使用，并且多余的電力還可以并入電網(wǎng)，形成“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的供電新模式。因此合理設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池方陣的容量，選用符合要求的太陽(yáng)能電池是設(shè)計(jì)獨(dú)立戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的重中之重。

當(dāng)前大規(guī)模使用的光伏材料可分為單晶硅、多晶硅以及非晶薄膜材料等，工業(yè)用非晶薄膜轉(zhuǎn)化效率低，衰減快，不列為本系統(tǒng)的考慮范圍，單晶硅對(duì)比多晶硅雖價(jià)格不占優(yōu)勢(shì)，但轉(zhuǎn)換效率高于多晶硅，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池組件選用單晶硅太陽(yáng)能電池較為合理。

已知本地最大連續(xù)陰雨天數(shù)為7d，2段最大連續(xù)陰雨天間隔天數(shù)為36d，為保證用電需求，蓄電池在兩段最大連續(xù)陰雨天期間需儲(chǔ)存足夠下一個(gè)連續(xù)陰雨天的供電量。本設(shè)計(jì)選用的單晶硅太陽(yáng)能電池組件峰值輸出功率值為50W，峰值電壓為17V，峰值電流為2.94A。查閱全國(guó)各省市峰值日照時(shí)數(shù)查詢表，張家口地區(qū)平均峰值日照時(shí)數(shù)為4.53h。

由上最大連續(xù)陰雨天蓄電池需存儲(chǔ)的電量：

C1=1740×7/(0.6×0.8×24)=1057Ah

兩段最大連續(xù)陰雨天所需消耗電量：

C2=1740×36/(0.6×0.8×24)=5437.5Ah

單個(gè)太陽(yáng)能組件每天的發(fā)電量：C3=2.94*4.53=13.3Ah；

太陽(yáng)能電池方陣每天的發(fā)電量：C4=(C1+C2)/36=180.4Ah；

所以太陽(yáng)能電池方陣串聯(lián)數(shù)：Ns=C4/13.3=13.5個(gè)≈14個(gè)；

太陽(yáng)能電池方陣并聯(lián)數(shù)：Np=24*1.43/17=2個(gè)。

4 控制器的選擇

控制器在整個(gè)光伏系統(tǒng)中起到管理和控制的關(guān)鍵作用。蓄電池使用年限最短，維護(hù)成本最高，過(guò)度放電可能造成蓄電池的鹽化與損壞，過(guò)度充電又可能導(dǎo)致蓄電池內(nèi)壓升高，電池變形，甚至出現(xiàn)提前析氣等現(xiàn)象，因此合理設(shè)計(jì)和安裝控制器是延長(zhǎng)蓄電池壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

控制器根據(jù)連接方式的不同可以分為：串聯(lián)、并聯(lián)、多路以及脈寬調(diào)制型控制器。其中前兩種控制器雖然線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但是無(wú)法對(duì)光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的功能，為了充分利用太陽(yáng)能，達(dá)到最大功率跟蹤，可采用后2種控制器，但是多路控制器需要足夠數(shù)量的控制器才能達(dá)到最佳跟蹤功能，無(wú)疑增加系統(tǒng)成本，綜合考慮本設(shè)計(jì)應(yīng)選擇脈寬調(diào)制型控制器。該系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓為24V，因此根據(jù)功率大小來(lái)考慮選擇小型控制器即可達(dá)到要求。

通常控制器的安全系數(shù)設(shè)為1.25，除此之外考慮該系統(tǒng)有0.8的系統(tǒng)損耗，則控制器的最大負(fù)載電流為：

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

5 逆變器的選擇

逆變器在整個(gè)光伏系統(tǒng)中不僅需要具備將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的功能，還需要具有基本的過(guò)流、過(guò)壓、反極性、過(guò)載等保護(hù)功能。并且需要有較高的轉(zhuǎn)換效率，要求輸出電壓失真度低，因此在選用逆變器時(shí)應(yīng)該保證其基本功能。

逆變器的功率=阻性負(fù)載功率×(1.2～1.5)+感性負(fù)載功率×(5～7)

根據(jù)居民用電情況(表1)確定逆變器功率為：

P逆=1.5×270+6×250=1905W

6 結(jié)論

本系統(tǒng)旨在建立一個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)以保證居民的基本用電情況。經(jīng)過(guò)基本計(jì)算可得出以下結(jié)論：

(1)蓄電池總?cè)萘繛?057Ah，可以考慮2V，550Ah的閥控鉛酸密閉蓄電池，按照12串2并的連接方式組成蓄電池組進(jìn)行安裝。

(2)設(shè)計(jì)選用峰值電壓為17V，峰值電流為2.94A的單晶硅太陽(yáng)能組件，14個(gè)該組件進(jìn)行串聯(lián)，然后再并聯(lián)2組，可滿足負(fù)載需求，通過(guò)計(jì)算可得該太陽(yáng)能電池方陣的總功率為1400W;

(3)為更好地保護(hù)蓄電池，達(dá)到最大功率跟蹤功能，需要選用脈寬調(diào)制型控制器，該控制器的最大負(fù)載電流為33.85A。

(4)通過(guò)計(jì)算可選用2000V·A的正弦波逆變器。