独立光伏PVsyst设计(免费首发)

家用独立光伏发电系统的优化设计XX（武汉工程大学，湖北 武汉 430200）摘要：针对目前我国城市建设过程中的实际情况，为使太阳能这一新能源更好的服务于城市电气化建设，以武汉城市地区为例，根据当地的气象、环境状况及具体负荷情况，进行家用独立光伏发电系统设计，对系统的光伏倾角、光伏电池板、蓄电池、控制器和逆变器进行了优化的设计与选择，在满足用户供电需求下，尽量减少初始投资，同时归纳了设计过程中应注意的事项。用专业的光伏系统设计软件 PVSYST 对设计方案进行仿真，对其用户满足率、能量利用率、蓄电池工作状态、经济效益及环境效益进行了详细的分析, 该系统年发电量 1175KWh，用户满足率 100%，能量利用率 78.7%，平均每度电约 3.3 元，总运行期间共节约 11.75 吨煤，减少了 24 吨 CO2排放。关键词：家用光伏发电系统；PVSYST 仿真；用户；优化设计0 引 言光伏发电技术可直接将太阳光转换成电能,没有任何污染,有助于解决全球变暖的问题和我国的能源安全问题 [1]。户用光伏发电系统又叫离网型光伏发电系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。具有功率小、安装方便、维护简单等特点。近年来,我国在太阳能光伏发电领域出现了日新月异的变化,光伏企业犹如雨后春笋般地呈现.通过“送电到乡“等工程,光伏系统已经解决了许多边远地区人口的供电问题。随着传统化石能源的枯竭,太阳能光伏发电这一清洁、可再生的新型发电方式成为能源结构中重要的替代能源 [2]。1 系统参数设定1.1 环境参数设计用户面向沈阳周边农村地区， 武汉市的基本气候资料如 表 1所示。设定此地区最长阴雨天为10d。表 1 武汉（1971-2000）气候情况Table 1 Wuhan’s climate（1971-2000）参数 平均温度（℃）最高温度（℃）极高温度（℃）最低温度（℃）极低温度（℃）降水天数（天）降水量（毫米）平均风速（米/秒）平均/月 16.6 21.1 30.5 13.0 1.6 10.4 105.7 1.831.2 负载参数抽取普通城市居民作为设计对象，将基本情况输入 PVsyst。如 图 1 所示，其中我们为用户增加了 5%的预期负荷留量：3040*0.05=152wh,放在 other use 中。其中具体负载为：18W 白炽灯 8 个、5h/天，120W电视机/电脑共 2 个、3h/ 天， 600Wh/天的冰箱一个，1000Wh/天的洗衣机一个，加上预留负荷 152Wh 共计3192Wh/天。图 1 用户每日消耗量Figure 1 consumers’ daily consumption 1.3 光伏组件参数非晶硅太阳电池是薄膜类太阳电池中最成熟,并已大规模生产的电池品种, 单条生产能力从 1MW 提高到 25MW~30MW[3]。本设计中光伏板选用非晶硅光伏电池板， 具体参数如下： 功率 89W； 峰值电压17.3V； 峰值电流 5.15A； 开路电压 23.5V； 短路电流 6.01A。铅酸免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。且 8V 电池在节能减排、成本、安装空间等方面比 2V 电池更有优势， 该光伏系统选用的蓄电池为密封式式免维护铅酸蓄电池，型号为 8-CS-25PS， 具体参数如下： 标准电压 8V； 标称容量 681Ah。2 基于 PVSYST 的系统优化设计PVSYST 是一款光伏系统设计辅助软件，用于指导光伏系统设计及对光伏系统进行发电量进行模拟计算。PVSYST 为建筑师、 工程师和研究人员的使用而设计，它包括详细的上下文相关帮助，解释了详细过程和使用的模型，能够从许多不同的来源导入气象数据 [4]。输入相关参数后，系统能够进行模拟和计算，并给出相关的分析报告。2.1 光伏电池倾角查询相关地理信息后将武汉的经纬度、海拔、时区输入 PVSYST，如 图 2 所示，然后连接 NASA 即可为武汉建立数据库。图 2 武汉地理参数Figure 2 geographical parameters of Wuhan对于有均衡或非均衡负载的独立光伏系统,在计算最佳倾角时,可先计算出不同倾角下各月倾斜面上的辐射量占该倾角下全年总辐射量的比例以及各月负载耗电量占全年总耗电量的比例 [5]。结合相关计算方法和武汉的气象资料，为了在保证冬季的发电量的同时平衡全年发电量，本次设计选取了 38°作为系统的倾角，0° 作为系统的方位角。2.2 蓄电池和光伏板由于太阳辐射量随季节、气候等变化, 且蓄电池充电时最高只能到达额定容量, 放电时又要受放电深度的限制, 所以在一定范围内蓄电池容量也会影响光伏方阵的发电量, 在同样满足负载用电需要时可以有多种方阵和蓄电池容量的组合。最优化设计应从可靠性和经济性两方面进行综合考虑, 以确定既能满足负载用电要求, 又是成本最低的方阵和蓄电池容量组合 [6]。对于可靠性指标, 国外大多采用负载缺电率(LOL P ) 来衡量 [7],[8],[9]。一般户用光伏系统只要 LOL P = 10- 2 即可, 这样可以降低成本, 提高系统的经济性。选用蓄电池的标称电压为 8V，光伏电池 89W，依据 PVSYST 建议的蓄电池总容量和光伏电池总功率确定各自串并联数，蓄电池串联 3 并联 2，总容量 1362Ah，蓄能 32.7KWh。光伏板串联 2 并联 6，50 ℃时电压 33.2V，输出的峰值电流 30.3A，总功率 1.1KW。系统自给天数设定为 10 天。2.3 电路示意图、功率控制器及备用发电机如 图 3 所示，系统的基本电路包括了光伏电池、蓄电池、控制器、备用发电机、负载等。在光伏系统中采用最大功率点跟踪技术能够依据太阳辐射和环境温度的变化使光伏阵列输出最大功率 [10]，但是考虑到我们采用的是固定安装所以系统使用了普通的 24V 太阳能功率控制器，属于固定电压运行模式。考虑到可能存在少数月份的缺电，所以采用了一个 1.5KW 的备用发电器。图 3 电路图Figure 3 circuit2.4 逆变器的选择该用户总负载为 794w， 由于负载的总容量大于逆变器总功率的 80﹪时， 逆变器会发热过度， 从而减少逆变器的使用寿命。所以选择的逆变器容量应大于 992w， 系统选择 24v 直流变 220v 交流， 功率1000w 的逆变器， 型号为 K-1000W。3 系统性能分析3.1 能量利用率和用户需求满足率从 图 4 可以看出系统的能量利用率是 78.7%，用户需求满足率 100%。从表 2 可以看出在二月份光伏系统发电量不足，由于设计时考虑的是全年的平均表现，2 月份时武汉温度达到全年最低，日照时间较短，光伏系统的发电量受到了影响，但是备用发电机的存在满足了用户的需求。图 4 系统的能量利用率及用户需求满足率Figure 4 System’s performance ratio and solar fraction 表 2 结余及主要结果Table 2 balances and main results 表 3 电池运行和性能Table 3 Battery operation and performances3.2 蓄电池的工作状态如 表 3 所示，蓄电池在 7-10 月份电荷负载率为 0.7 左右，其余月份 0.5 左右，全年平均电压 24.7V。3.3 系统经济性表 4 光伏系统成本Table 4 Photovoltaic system cost名称 型号 单价 数量 金额光伏板 89W/15V 1500 12 18000铅酸蓄电池 8V/681Ah 3000 6+18（备用） 72000功率控制器 24V 200 1 200逆变器 24VDC/220VAC 270 1 270备用发电机 15KW 6000 1 6000其他材料 300合计 96770如 表 4 所示，该系统预计运行 25 年，铅酸蓄电池在其间更换三次。25 年内总投资 96770，年发电量1175KWh，25 年共计发电 29375KWh，平均每度电约 3.3 元。3.4 环保效益每度电耗煤 0.4Kg，25 年内总产电 29375KWh，节约了 11.75 吨煤。光伏系统在当地每发电 1kWh,相当于减少 CO2 的数量。分析了中国电厂燃料结构,进行计算 ,得出了中国的 CO2 排放指数为 0.814kg/kWh[11]。该系统 25 年间将减少约 24 吨 CO2 排放，对环境保护有一定的正面作用。4. 结语本次课程设计结合武汉的实际情况，以 PVSYST 为平台完成了独立型家用光伏发电系统的模拟设计，对基于 PVSYST 的工程设计做了一定的归纳和实践。在蓄电池的设计中充分考虑了针对武汉气候的自给需求，同时备用发电机的采用使用户全年的需求得到了 100%保障。系统包括 12 个 89W/15V 的 ASI-TM 89 非晶硅电池板，倾角 38°，方位角 0°；24 个 8V/681Ah 的 PVS Block 12V 1 PVS 70 密封式铅酸蓄电池，其中 18个用于后续运行的更换；一个 24V 的 CP 太阳能功率控制器；一个 24V 直流转 220V 交流的 TJ-24-2000H 交流逆变器；一个 15KW 的 STC-15 柴油发电机。系统总成本 96770 元，年发电 1175KWh，折合约 3.3 元/度。从系统结果的分析可以看出电池组件的效率损耗和转换损耗以及充电损耗占系统能量损耗的大部分，系统几乎能完全满足用户的需求。在经济方面，电池方面的投资较大，使得最后的光伏电价较高，但是考虑到政府的相关政策和相当好的环境效益，该系统在城镇地区依然有一定的可行性。[参考文献][1] 张耀明. 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J]. 能源研究与利用,2007,(1):1-6.[2] 朱伟钢,林燕梅,周蕾,等. 太阳能光伏发电在中国的应用[J]. 现代电力,2007,24(5):19-23.[3] 赵红英,杨继强,谷士彬,等. 非晶硅太阳电池边绝缘设备研究[J]. 资源节约与环保,2011,(5):56-57.[4] “A powerful software for your photovoltaic systems”(2011-2012), [OL]. Available: http://www.pvsyst.com/ (June 13, 2012).[5] 顾超,崔容强. 独立光伏系统最佳倾角计算新方法[J]. 电源技术,2005,29(1):31-34.[6] 杨金焕,汪征浤,陈中华,等. 负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计[J]. 太阳能学报,1999,(1):93-99.[7] Tsalides Ph. ,Thanailakis A. Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J]. Solar Cells,1986,18:115- 127[8] Klein SA, Beckman WA. Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J]. Solar Energy, 1987, 39∶499- 512[9] Groumpos P, Papa Georgiou G. An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J]. Solar Energy, 1987, 5∶341- 351[10]Leyva, R. Rovira i Virgili. MPPT of photovoltaic systems using extremum - seeking control[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2012,42(1): 249-258.[11]杨金焕.光伏系统减排 CO2 潜力的分析[C]. 第十届中国太阳能光伏会议论文集.2008:845-849.Design and Optimization on Independent Household Photovoltaic Power Generation SystemXX(Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430200)Abstract: Aiming at the actual situation of the new urban construction of our country, the stand-alone PV power system taking Wuhan urban areas as an example was designed according to the local weather and environment conditions and specific load conditions in order to make solar energy better serve the rural electrification construction. Under the condition of satisfying the user demand on photovoltaic power supply, dip Angle, photovoltaic panels, storage battery, controller and inverter were designed and chosen optimally to reduce the initial investment, and the matters needing attention were summarized. The author used the professional photovoltaic system design software PVSYST to simulate the design scheme, detailed analyzed the user meet rate, energy utilization rate, storage battery condition, economic benefits and environmental benefits to verify the feasibility, The system output 1175KWh for annual energy, user-satisfaction rate reach 100%, energy utilization is 78.7%, average about ￥3.3 per unit, 11.75 tons of coal would be saved during the running, reduces 24 tons of CO2 emissions.Key words: household photovoltaic power generation system; PVSYST simulation; consumer; system optimization design; 指导教师评分评价内容 具 体 要 求 权重 得分调查论证 能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力 独立设计、计算、绘图的能力（课程设计） ；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文） 。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全） ；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新 工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。 5综合评语指导教师签字：教研室主任签字： 年 月 日答辩记录记录人（签字）：年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）：年 月 日课程设计总评成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）