离网光伏发电系统优化设计探索

摘 要：随着全球经济的迅猛发展，太阳能作为一种清洁的可再生能源引起了广泛关注。光伏发电是太阳能直接应用的一种重要方式，文章以浙江省衢州市离网光伏发电项目为案例，从电池组件容量设计、蓄电池容量分析等角度出发，分析了家用独立光伏发电系统优化设计方案。

关键词：离网光伏发电系统；光伏阵列；蓄电池组

1 概述

太阳能是一种清洁和可再生能源。我国具有较好的太阳能资源，但是也是一个能源消耗大国，而且人口分布也极不合理，所以发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、能源供给具有较好的独立性和安全性。随着光伏发电成本的迅速降低，以及我国光伏发电迅速发展的背景下，离网光伏发电系统将走入千家万户。文章以浙江省衢州市离网光伏发电项目为案例，从电池组件容量设计、蓄电池容量分析、控制器选择、逆变器选配等角度出发，分析了家用独立光伏发电系统优化设计方案。

2 离网光伏发电系统工作原理

典型离网光伏发电系统主要由电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、负载等部件组成，其工作原理如图1所示。太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池阵列，它将太阳能直接转换成电能，并通过控制器把光伏阵列产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器、逆变器送入各个负载上。

图1 离网光伏发电系统结构

3 离网光伏发电系统的设计方法

对于离网光伏发电系统的设计，在太阳辐射量（平均值）、地理位置（经度、维度）、用电量（平均）、环境地形等条件确定的情况下，我们设计的主要内容为离网光伏发电系统结构、太阳能电池方阵容量和结构、蓄电池容量和结构、控制器选配、逆变器选配等，同时需要综合考虑光伏发电系统的经济性、可靠性和稳定性。图2为离网光伏发电系统设计方法框图。

从图2中可以看出，离网光伏发电系统设计步骤为：首先分析系统用电需求；确定离网光伏发电系统结构；分析当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算；确定系统容量设计，包括系统电压的确定，太阳能电池组件功率、方阵构成的设计，蓄电池（组）的容量、结构的设计与计算；最后进行离网光伏发电系统其他电气设备的配置与设计，其中包括控制器的选型与配置、交流逆变器的选型与配置、组件支架及固定方式设计等。

4 家用离网光伏发电系统的结构设计

家用离网光伏发电系统包括电池组件、光伏控制器、蓄电池、逆变器及负载。系统结构如图1所示。

4.1 系统负载用电需求分析

由于家用用电设备中存在较多“待机”电气设备，难以用额定功率及用电时间求取耗电量，最为简捷的方法就是通过月平均耗电量，来核算电气设备每天耗电量。但是，对离网光伏发电系统来说，要保证系统全年缺电率为零，只要保证该系统在耗电量最多的月份或时间段内，且光照资源等气象因素最差的情况下能正常可靠运行就可。如果能保证上述最恶劣情况下，系统能正常运行，那么该系统也能满足其他时间段的用电需求。所以从我国浙江省家庭负载运行情况来看，冬季2月份是用电高峰期，同时也是光照资源最差的时间段。

假设一家庭用电设备在冬季2月达到最高耗电量300kWh，可得平均每天耗电10kWh。

4.2 系统结构

由于家用离网光伏发电系统中存在交流用电设备和直流用电设备，所以家用离网系统结构采用如图1所示结构，包括电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、负载等部件。

4.3 气象资源获取

由于我国当前具有太阳资源测量的气象站较少，在实际工程项目中，我们一般采用RETScreen软件来获取当地太阳资源。图3为利用RETScreen获取浙江衢州的太阳资源。

由此可得，该地区每月平均每天气象资源如表1所示。

4.4 电池组件容量及结构设计

4.4.1 系统直流电压确定

系统直流电压U也称为系统电压，其是蓄电池、控制器、逆变器输入端的直流电压值。常见离网系统直流电压有12V、24V、48V、96V、110V等。根据本项目实际情况，结合后续蓄电池组、逆变器、控制器的选配情况，本方案系统电压设置96V。

4.4.2 光伏阵列总容量设计

光伏阵列总容量就是系统所有电池组件容量之和。光伏阵列总容量的大小主要与负载日耗电量有关。有如下关系：

Gp・？浊=Gf

Gp=H・PB

式中Gp表示组件日发平均电量，单位kWh；Gf表示负载每日平均耗电量，单位kWh；？浊为系统转换效率，包括充电效率系数？浊1，逆变器转换系数？浊2，组件损耗系数？浊3，其中？浊1、？浊2、？浊3分别取0.9系数；H表示当地日峰值日照时数，单位h；PB表示光伏阵列最小总容量，单位w。

在此离网系统中，冬天2月为耗电量最大时间，故在上述求解光伏阵列总容量的峰值日照时数必须采用冬天2月的平均峰值日照时数。

例如，家用离网光伏发电系统负载日耗电10kWh，而且上述峰值日照时数为2.43h，则可得光伏阵列总容量PB为5.63KW。上述光伏阵列总容量为该离网光伏发电系统实际最小容量，实际略大于该值。

4.4.3 单体组件选择及光伏阵列结构设计

光伏阵列是通过单体电池组件串并联得到的。

M×N×Pd=P？叟PB

式中，M为电池组件串联数，取整数；N为电池组件并联数，取整数；Pd为单体电池组件容量；P是电池方阵实际容量。

在单体电池组件规格选择上，要根据系统电压、光伏阵列实际冗余量、串并联数量等因素综合考虑。在离网光伏发电系统中，电池组件串并联后要通过控制器给蓄电池充电，此时串联后的组件峰值电压Uf必须满足下列关系。

M×Up=Uf

Uf=？浊4×U

式中，UP为单体电池组件的峰值电压，UF为组件串联后的峰值电压，？浊4为充电电压系数，取值范围为1.40-1.49，U为系统电压。即一个标称电压为96V的蓄电池，其组件串联后的峰值电压应在134.4V-143.0V范围内，方可为其充电。

表2为一系列电池组件规格参数及其对应的电池组件串并联方式、方阵阵列实际总容量关系表。

从表2可以看出，为了满足离网系统用电需求，选择不同规格的电池组件，其实际容量是不同的。采用规格240W的电池组件实际光伏阵列总容量较小，即实际冗余量最小，故选用规格为240W的电池组件来构建光伏阵列。

同时，选用表2的前两种240W的电池组件实际光伏阵列总容量相同，但是第一种光伏阵列的并联数为6，第二种光伏阵列的并联数为3，从控制器选择及转换效率角度出发，并联数越少系统效率更高。故此方案选择第二种240W的组件规格。

4.4.4 电池组件倾斜角设计

为了获取更多太阳资源，光伏阵列的放置可以采用水平放置、固定倾斜角放置、单轴跟踪和双轴跟踪等模式。对于离网光伏发电系统，由于受其环境影响，光伏阵列将更多的采用固定倾斜角放置方式。在实际工程项目中，电池组件倾斜角设置如表3所示。

一般来讲，固定倾角太阳能电池方阵面上的辐射量要比水平面辐射量高5%～15%。直射分量越大、纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量越大。

但是，在采用上述最佳倾斜角设置方法时，虽然可以使光伏发电系统一年内获取最大放电量。但是对于离网系统来说，为了在最恶劣的环境下不缺电，其光伏阵列倾斜角的设计，应使系统在最恶劣环境下获取最大的太阳资源，而不是使系统在一年内获取最大太阳资源。所以对于此离网系统倾斜角主要是保证在冬天2月份获取最大辐照度。为了获取更优倾斜角，可以采用Retscreen软件进行分析。图4为浙江衢州地区3种倾斜角获取太阳资源的情况。

从图4中可以看出倾斜角为28度时，该地区2月份可以获取最大太阳资源，其日峰值日照时数为2.70h，同时年平均日峰值日照时数也获取较大，达到3.71h。故倾斜角设置为28度。

4.4.5 铅酸蓄电池容量C设计

离网光伏系统中，蓄电池容量设计要考虑负载耗电量、逆变器效率、气象参数等因素。一般计算公式如下：

C×L×S×U=D×F×PF

式中，C蓄电池容量，Ah；F蓄电池放电效率修正系数，通常取1.05；PF平均负荷容量，Ah；L蓄电池的维修保养率，取0.8；S蓄电池的放电深度，取0.5；D表示无日照期间用天数，该地区2月份，最恶劣条件下，D为5天。

代入上述参数可得C为1367.2Ah，系统电压为96V。实际可选择标称电压为48V100AH的蓄电池28个，进行2串14并的连接方式。

4.4.6 光伏控制器选择

光伏控制器主要实现蓄电池的充放电保护，其系统功率、系统电压等级、光伏组件路数、电流等级等内容来确定。例如可选择系统电压为96V，系统电流为60A，容量为6kW的光伏控制器。

4.4.7 光伏逆变器选择

光伏逆变器的选择主要由系统电压、输出电压、输出波形等因素确定。但是对于一般电感性负载，如电机、冰箱、空调、洗衣机，在起动时，功率可能是额定功率的5～6倍。因此，通常电感负载起动时，逆变器将承受大的瞬时浪涌功率。所以在逆变器选择时要放足够的容量空间，本案例选择输入电压为96V，输出220V，容量为10kW的工频纯正波逆变器离网逆变器。

5 结束语

为满足上述案例用电需求，光伏阵列共采用转换效率为15%的24块240W的单体组件，共5760W，有效组件面积约为40m2；蓄电池采用标称电压为48V100AH的28只蓄电池进行2串14并连接；控制器采用电压等级96V，容量为10kW工频纯正波逆变器，系统成本约8.4万左右。其中主要成本为铅酸蓄电池，约占系统的62%，原因为本案例考虑的是缺电率为零离网光伏发电系统设计，而且在恶劣条件下蓄电池放电量为0.5，连续阴雨天数为5天，故蓄电池的配置成本相对较高。为了减少蓄电池配置容量，降低系统成本，在实际工程中可以采用市电互补离网光伏发电系统模式进行离网光伏发电系统配置。

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作者简介：廖东进（1979-），男，浙江衢州人，副教授，硕士，主要从事光伏发电方面的研究。