户用独立光伏发电系统的优化研究

胡伟霞，杨记鑫

（成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000）

随着全球能源短缺和环境问题日益突出，太阳能作为可再生能源逐渐受到人们的关注。太阳能光伏发电作为光电转换的重要技术，具有清洁无污染和效率高等诸多优势。因此，充分开发太阳能资源，推动光伏发电技术的发展，对于解决能源短缺和保护环境具有重大战略意义[1-3]。目前，全球还有很多地区没有通上电，特别是经济不发达的边远地区，由于地理和气候条件的制约，很难通过建设常规电网来解决用电难题，电力供应严重制约着经济的发展。利用太阳能光伏发电可以建立并网光伏发电系统和互补光伏发电系统等。但是光伏发电系统设计初期的重点是发电系统的容量设计和发电量预测[4-6]。PVsyst 软件可对离网、并网和水泵光伏发电系统进行优化设计，能对不同方案的性能表现进行分析评价，从而给出最优技术方案。针对家庭日常用电需求，该文借助PVsyst 软件对乐山地区户用独立光伏发电系统项目进行模拟，通过合适设置光伏组件和蓄电池容量等参数，给出最优设计方案，大大缩短了实际光伏系统选型的时间。

户用独立光伏发电系统也称为离网光伏发电系统，主要由光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器和负载等组成。一般以蓄电池作为储能装置，白天有太阳光照时，通过光伏组件收集太阳能发电，再由控制器向蓄电池充电，日照不足或晚上和阴雨天用电时，蓄电池向负载供电[7-8]。对于独立光伏发电系统，PVsyst软件采用固定式安装。为满足冬季用电需求，常选取冬季发电量最优。

1.1 负载用电情况

乐山地区典型家庭用电负载包括六个20 W 电灯，每日工作5 小时；
一台120 W 电视机，每日工作4 小时；
一台200 W 的电冰箱，日耗电量0.8 kW·h；
一台300 W 的洗衣机，每日工作1 小时；
两台制冷功率为1 600 W 的空调，日耗电量每台4.8 kW·h。通过上述可知，家庭负载功率为3.94 kW，日均用电量约为11.92 kW·h。

1.2 环境参数选取

该项目以乐山地区为例，为满足典型家庭用电需求，采用PVsyst 软件对户用独立光伏发电系统进行详细设计。首先要设置项目地的地理位置，进而通过软件导入相应的气象数据。该项目地乐山位于东经103.73°，北纬29.57°，气象数据如表1 所示。

表1 乐山地区气象数据

该气象数据来源于Meteonorm 7.1 数据库，包括月平均全局辐射量、月平均漫反射辐射量、月平均温度和月平均风速。年平均全局辐射量为1 004.6 kW·h·m-2，属于太阳能资源带的第五类地区，具有一定的开发价值。

1.3 光伏方阵选型

晶体硅太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。目前，市面上单晶硅太阳能光伏电池仍然占较大的份额。单晶硅太阳能电池的光电转换效率较多晶硅电池高，商业化光电转换效率可达17%左右，使用寿命长，最高可达25 年。然而，多晶硅太阳能电池的电池效率为14%左右，使用年限可达20 年[9-10]。该系统主要适用于家庭发电，从性价比考虑，多晶硅电池组件比较合适。该系统光伏组件选用的是Jinkosolar 的JKM 265P-60 型多晶硅电池组件，外形尺寸为1 650 mm×992 mm×40 mm，组件面积为1.637 m2，每块组件包含太阳能电池片数量为60 个，组件最大功率为250 W，具体参数如表2所示。

表2 光伏组件参数

光伏阵列采用4 串联5 并联方式安装，共接入20 块组件，每个矩形组件长为3.97 m，宽为1.65 m。阵列占地总面积为33 m2，功率为5.0 kWp。该系统光伏方阵在屋顶正南安装，倾角为30°，通常不考虑阴影遮挡损失。

1.4 蓄电池和控制器选型

太阳能光伏发电受气候条件和地理条件等的影响，光伏发电系统具有较大的不稳定性。蓄电池作为储能装置，是独立光伏发电系统的核心组成部分，其作用是储存电能，在光照不足或阴雨天时保证用户负载的正常工作[11-13]。蓄电池效率的高低与光伏组件额定容量的大小密切相关，在发电系统成本中占较大比重。蓄电池的选取决定着项目的总投资。因此，在设计蓄电池容量时，要考虑当地连续阴雨天数和蓄电池放电深度对整个光伏系统的影响，同时还要将蓄电池的放电率、环境温度等因素考虑在内。该系统参数按照实际情况设置如下：允许的缺电概率为5.0%，最长自主供电天数及最长连续阴雨天数为4 天，蓄电池组电压为24 V，软件给出蓄电池容量的推荐值为2 138 Ah。

太阳能辐射量随季节、气候等条件变化，蓄电池放电时受放电深度的影响，所以蓄电池容量的大小也对光伏方阵的发电量具有较大影响。在满足负载用电需求时，有多种光伏方阵和蓄电池容量的组合。该系统蓄电池选用德国Sonnenschein 生产的型号为2-KS-33PS 的蓄电池，容量为155 Ah，蓄电池组结构上采用2 串14 并的形式，具体参数如表3所示。

表3 蓄电池参数

在小型光伏发电系统中，太阳能控制器是太阳能离网发电系统的核心部分，它在系统中不仅要具备充电与放电控制的基本功能，还应具备安全的雷电保护、蓄电池极性反接保护、夜间放电保护以及输出端的开短路、过载等全方位立体保护，以确保整套系统长期稳定运行[14]。该设计系统选用具有MPPT自动跟踪模式的光伏控制器。为防止供电不足，设计中可加入备用发电机作为备用电源，具体布局如图1 所示。

1.5 损失设置

发电系统供家庭用户使用，光伏组件设计为放置在房屋建筑物屋顶。假设该项目周围无山脉和大型建筑物遮挡，不考虑阴影遮挡损失。当光伏系统设计完成后，点击detailed losses 进入系统损失设置。系统损失设置分别是系统热损失、线损、组件失配损失、灰尘损失[15]。按照实际情况设置：Thermal Loss Factor 即阵列的热损失。选择自由安装与空气流通条件良好，即恒定损耗因子为29 W/m2k、风损耗因子为0 W/m2k/m/s；
Ohmic Losses（线损）在直流电路中，损耗选择默认值1.5%；
Module quality-LIDMismatch（不匹配损失和光致衰减）组件的效率损耗一般为3%，组件不匹配损耗为1%；
Soiling Loss（灰尘损耗）每年的污物损耗为3%。

该项目对乐山地区户用独立光伏发电系统项目进行模拟，通过选取合适的光伏组件和蓄电池等的参数，建立了家庭用户独立光伏发电系统的仿真模型。系统发电按照自给自足，自发自用的形式，主要为满足普通家庭用户的日常用电需求。利用PVsyst软件进行仿真设计，经计算得出该项目安装首年，系统的全年发电量为6 380 kW·h/year，峰瓦发电量为2.79 kW·h/day，光伏阵列损耗为0.78 kW·h/day，系统损耗为0.49 kW·h/day。

1）系统发电效率分析

太阳辐射量、太阳能电池组件转化效率、蓄电池性能以及系统损失等对光伏系统发电量影响较大。在光伏发电系统实际应用中，发电性能受气象条件的限制。光伏组件的最大功率点随温度和光照强度变化，如图2 所示，系统能量利用率(PR)为68.8%，用户需求满足率(SF)为93.5%。因此，光伏发电系统所发电量能满足用户93.5%的用电需求，系统性能良好，达到设计要求。在6-8 月，由于温度的升高造成系统功率损失，这可以通过选择合适的光伏充放电控制器，实现光伏方阵最大功率跟踪功能，尽量减小温度对光伏组件的影响[16]。

图3 为系统日均每kWp 发电量示意图。其中，日均每kWp 未使用以及潜在可利用的光伏阵列发电量Lu为0.99 kW·h，这是因为蓄电池处于充满状态；
日均每kWp 光伏阵列损耗Lc为0.25 kW·h，包括系统热损失、线损、组件失配、灰尘损失、辐照损失等导致的损耗；
日均每kWp 系统损耗Ls为0.4 kW·h，包括蓄电池自身损耗和逆变器损耗；
日均每kWp 系统发电量Yf为2.27 kW·h。

2）系统发电量

系统仿真结果如表4 所示，详细展示了乐山地区户用独立光伏发电系统全年发电量、系统未利用发电量、失电量、用户可利用电量、负载所需电量和用户需求满足率等数据。系统全年发电量为6 380 kW·h，用户可利用电量为4 147 kW·h，负载所需电量为4 352 kW·h，失电量为205 kW·h。该设计方案可满足普通家庭日常所需用电，系统整体性能表现良好。

表4 光伏发电系统年发电量仿真结果

随着能源的日益短缺，光伏发电技术在优化能源利用结构方面具有重要意义。为满足家庭节能用电需求，该文基于PVsyst 软件对乐山地区装机容量为5 kW 的户用独立光伏发电系统进行模拟。通过合理设置光伏组件参数和蓄电池组参数，得到系统最优年发电量。系统能量利用率为68.8%，用户需求满足率(SF)为93.5%。该小型独立发电系统整体性能表现良好，可满足家庭日常用电需求。该独立系统采用自给自足、自发自用的方式，不仅可以降低系统损失，同时也可一定程度上减轻公共电网负荷，有望成为电力供应的重要来源。同时，采用PVsyst软件作为光伏系统设计的辅助手段可提高系统设计的可靠性，大幅减少设计周期和成本。该设计对实际独立光伏发电系统的建设具有一定的参考价值。