太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)

1、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)楊金煥,葛亮,陳中華,汪征(上海電力學(xué)院,上海200090)摘要:獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)需要進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)。介紹了一種簡(jiǎn)明合理而又實(shí)用的最佳化設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用前國(guó)外常用的傾斜面上太陽(yáng)輻照量的計(jì)算公式,根據(jù)不同的蓄電池維持天數(shù),應(yīng)用能量平衡原理,得到相應(yīng)的太陽(yáng)電池方陣最佳傾角,然后通過循環(huán)計(jì)算,得出一系列太陽(yáng)電池方陣和蓄電池容量的組合,再通過經(jīng)濟(jì)核算等,最后確定光伏系統(tǒng)的規(guī)模,編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序,并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì);光伏方陣;蓄電池;維持天數(shù)中圖分類號(hào):tk514 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a 文章編號(hào):1004 - 3950(2003) 05 - 0025 - 04th

2、e optimum sizing of stand2alone photovoltaic systemsyang jin2huan , ge liang , chen zhong2hua , wang zheng2hong(shanghai institute of electric power , shanghai 200090 , china)abstract :stand2alone photovoltaic systems should be of optimum sizing. this article introduces a concise , rational and prac

3、tical method. the method adopts the calculating formula currently used abroad for determining the solar radiation on tilted surface. according to the days of autonomy and the principle of energy equilibrium , the optimum tilt angle of photovoltaic arrayis obtained first and then a series of capacity

4、 combinations of photovoltaic array and battery by means of cycle calculations.the size of photovoltaic systems is finally determined after further economic accounting. a relevant computer program isworked out and a calculated example presented.key words :optimum sizing ; photovoltaic array ; batter

5、ies ; days of autonomy1 前言近年來太陽(yáng)能(又稱光伏) 發(fā)電得到了迅速的發(fā)展,在我國(guó)各種光伏系統(tǒng)及應(yīng)用產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),出現(xiàn)了前所未有的可喜局面。然而稍加分析便可看出,很多產(chǎn)品都沒有經(jīng)過仔細(xì)的最佳化設(shè)計(jì),有的系統(tǒng)和產(chǎn)品是照貓畫虎,以訛傳訛;有的則根本不符合光伏發(fā)電的基本規(guī)律和工作特點(diǎn),以致不能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,或者配置容量過大,造成大量浪費(fèi),影響了光伏電源的推廣應(yīng)用。在現(xiàn)階段,太陽(yáng)電池的價(jià)格還較高,光伏系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)負(fù)載要求和當(dāng)?shù)氐臍庀蟮乩項(xiàng)l件進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì),通過科學(xué)的計(jì)算方法,達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。然而,由于光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)牽涉到的影響因素很多,關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,

6、設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng)困難。一些設(shè)計(jì)方法不是十分繁雜,就是不夠完善。我們?cè)谝郧肮ぷ鞯幕A(chǔ)上1 ,進(jìn)一步做了修正和改進(jìn),總結(jié)出了一種簡(jiǎn)明合理而又實(shí)用的最佳化設(shè)計(jì)方法。光伏系統(tǒng)按供電方式大致可分為獨(dú)立系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)三大類,本文僅討論應(yīng)用最廣泛的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)。2 技術(shù)條件2. 1 負(fù)載性質(zhì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)是指沒有任何輔助電源,光伏發(fā)電是唯一電力來源的電源系統(tǒng)。實(shí)際負(fù)載的大小及使用情況等可能千變?nèi)f化,從全天使用時(shí)間上來區(qū)分,大致可分為白天、晚上和白天連晚上三種負(fù)載。對(duì)于僅在白天使用的負(fù)載,多數(shù)可以由光伏系統(tǒng)直接供電,減少了由于蓄電池充放電等引起的損耗,所配備的光伏系統(tǒng)容量可以適當(dāng)減小。全部晚上

7、使用的負(fù)載其光伏系統(tǒng)所配備的容量就要相應(yīng)增加。白天連晚上的負(fù)載所需要的容量則在兩者之間。此外,從全年使用時(shí)間上來區(qū)分,大致又可分為均衡性負(fù)載、季節(jié)性負(fù)載和隨機(jī)性負(fù)載。為了簡(jiǎn)化,對(duì)于月平均耗電量變化不超過10 %的負(fù)載也可以當(dāng)作平均耗電量都相同的均衡性負(fù)載2 。本文僅討論為均衡性負(fù)載供電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)。2. 2 影響因素的考慮影響光伏系統(tǒng)運(yùn)行的因素很多,關(guān)系十分復(fù)雜,有的書上甚至列舉了幾十個(gè)修正系數(shù)。實(shí)際上因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)條件和運(yùn)行情況千變?nèi)f化,既無法事先逐一確定其大小,也完全沒有必要區(qū)分得如此細(xì)致,可將其組合成少量幾個(gè)必要的修正系數(shù),如果需要還可加上一定的安全系數(shù)來處理。2. 3 太陽(yáng)輻照

8、量由于太陽(yáng)輻射的隨機(jī)性,無法確定光伏系統(tǒng)安裝后方陣面上各個(gè)時(shí)段確切的太陽(yáng)輻照量,只能根據(jù)氣象臺(tái)記錄的歷史資料作為參考。然而,通常氣象臺(tái)站提供的是水平面上的太陽(yáng)輻照量,需要將其換算成傾斜方陣面上的輻照量。對(duì)于一般的光伏系統(tǒng)而言,只要計(jì)算傾斜面上的月平均太陽(yáng)輻照量即可,不必考慮瞬時(shí)(通常是逐小時(shí))太陽(yáng)輻射通量。為了將水平面上的月平均太陽(yáng)輻照量換算成傾斜面上月平均太陽(yáng)輻照量,不少人還一直應(yīng)用liu 和jordan 在1962 年提出的計(jì)算方法3 ,4 。這種方法雖然計(jì)算比較簡(jiǎn)單,但實(shí)際上只有在一年中的太陽(yáng)二分點(diǎn)(三月和九月的春秋分) 才是正確的。此方法用于朝向赤道的傾斜面上月平均散射輻照量的計(jì)算結(jié)果

9、偏小?，F(xiàn)在國(guó)外通常采用klien 和theilacker 提出的計(jì)算傾斜面上月平均太陽(yáng)輻照量的方法5 ,6 ,其計(jì)算方法是:圖片附件: 式1 equ1.jpg (2006-3-14 13:49, 96.39 k)2. 4 方陣傾角固定式光伏方陣,應(yīng)盡可能朝向赤道傾斜安裝,這樣一是可以增加全年接收到的太陽(yáng)輻照量,二還能提升冬季方陣面上的太陽(yáng)輻照量,而同時(shí)降低夏季的輻照量。這對(duì)于以蓄電池為儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立光伏系統(tǒng)是十分重要的?，F(xiàn)在,有不少太陽(yáng)能草坪燈等類光伏產(chǎn)品的太陽(yáng)電池采用水平安裝,這些產(chǎn)品本身容量比較緊張,更不應(yīng)該采用水平安裝的方式。對(duì)于光伏方陣的傾角,有些資料提出等于當(dāng)?shù)鼐暥?或當(dāng)?shù)鼐暥燃由?

10、157 ,顯然這是不合適的。實(shí)際上,即使緯度相同的兩個(gè)地方,其太陽(yáng)輻照量的大小及組成往往相差很大,如拉薩和重慶的緯度基本相同(僅差0. 18) ,而水平面上的太陽(yáng)輻照量卻要相差一倍以上,顯然加上相同的度數(shù)作為方陣傾角是不妥當(dāng)?shù)摹２簧儋Y料提出了確定方陣最佳傾角的方法,然而由于現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,可以通過一定的計(jì)算方法,在滿足負(fù)載用電要求的條件下,比較各種不同的傾角所需配置的太陽(yáng)電池方陣和蓄電池容量的大小,從而決定方陣的最佳傾角。事實(shí)上,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于不同的蓄電池維持天數(shù),要求的系統(tǒng)累計(jì)虧欠量不一樣,最佳傾角也不一定相同(見表1) ,所以不必事先確定。2. 5 溫度影響眾所周知,在太陽(yáng)電池溫度升高時(shí),

11、其開路電壓要下降,輸出功率會(huì)減少。所以,有些設(shè)計(jì)方法在最后確定方陣容量時(shí),考慮太陽(yáng)電池溫度系數(shù)的影響,從而增大容量1 ,7 。然而,這種把方陣當(dāng)作全年都處在最高溫度下工作,顯然是個(gè)保守的方法。實(shí)際上,現(xiàn)在常用的36 片太陽(yáng)電池串聯(lián)為12 v 蓄電池充電的標(biāo)準(zhǔn)組件,已經(jīng)考慮了夏天溫度升高的影響。而且,通常夏天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大,方陣發(fā)電量常有盈余,完全可以彌補(bǔ)由于溫度升高所減少的電能,因此在計(jì)算太陽(yáng)電池容量時(shí)可以不必考慮溫度的影響。在特殊情況下,只要增加系統(tǒng)的安全系數(shù)即可。不過在溫度較低時(shí),蓄電池輸出容量要受到影響,在冬天工作溫度低于0 時(shí),應(yīng)適當(dāng)加以考慮。2. 6 蓄電池維持天數(shù)通常是指沒有光伏

12、方陣電力供應(yīng)的情況下,完全由蓄電池儲(chǔ)存的電量供給負(fù)載所能維持的天數(shù)。有的資料建議在36d 中選取8 ,也可參考當(dāng)?shù)啬昶骄B陰雨天數(shù)等因素而定。3 獨(dú)立光伏系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟3. 1 確定負(fù)載耗電量列出各種用電負(fù)載的耗電功率、工作電壓及平均每天使用時(shí)數(shù),還要計(jì)入系統(tǒng)的輔助設(shè)備如控制器、逆變器等的耗電量。選擇蓄電池工作電壓v ,算出負(fù)載平均日耗電量ql (ah/ d) 。3. 2 計(jì)算方陣面上太陽(yáng)輻照量輸入當(dāng)?shù)氐乩砑皻庀筚Y料,根據(jù)2. 3 節(jié)所介紹的方法,計(jì)算不同傾斜面上的全年平均太陽(yáng)輻照量ht (kwh/ m2d) 。3. 3 算出各月發(fā)電盈虧量對(duì)于某個(gè)確定的傾角,方陣輸出的最小電流應(yīng)為:圖片附件

13、: 式2 equ2.jpg (2006-3-14 13:49, 20.62 k)從而得到各月發(fā)電盈虧量q = qg - qc如果q 0 ,為虧欠量,表示該月發(fā)電量不足,需要由蓄電池提供部分儲(chǔ)存的電量。3. 4 確定累計(jì)虧欠量| - qi |以兩年為單位, 列出各月發(fā)電盈虧量, 如只有一個(gè)q 0 的連續(xù)虧欠期,則累計(jì)虧欠量即為該虧欠期內(nèi)各月虧欠量之和。如有兩個(gè)或以上的不連續(xù)q n ,則增大電流i ,重新計(jì)算,反之亦然。直到n1 = n ,即得出方陣輸出電流im 。3. 6 求出方陣最佳傾角改變傾角, 重復(fù)以上計(jì)算, 進(jìn)行比較, 得出最小的方陣輸出電流im 值,相應(yīng)的傾角即為方陣最佳傾角opt 。

14、3. 7 得出蓄電池及方陣容量這樣可以求出蓄電池容量為: = | - qi |( dod) 2光伏方陣容量為:p = k im ( vb + vd)其中: k 為安全系數(shù); vb 為蓄電池充電電壓;vd 為防反充二極管及線路等的壓降。3. 8 最終決定最佳搭配改變蓄電池維持天數(shù)n ,重復(fù)以上計(jì)算,可得到一系列b - p 組合。再根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)及單價(jià)等因素,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算,最后決定蓄電池及光伏方陣容量的最佳組合。3. 9 編制計(jì)算機(jī)程序我們根據(jù)以上原理及公式,用vc + 語言編寫了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序,可以很方便地確定太陽(yáng)電池組件功率及蓄電池的容量。4 計(jì)算實(shí)例為上海地區(qū)設(shè)計(jì)一套光伏電源系統(tǒng),每天平均用

15、電量為5 kwh ,工作電壓為110 v。查得上海地區(qū)20 a 以上的水平面上月平均太陽(yáng)總輻照量和直接輻照量, = 31. 17,相應(yīng)參數(shù)分別取:=0. 2 ,1 = 2 = 0. 9 , dod = 0. 8 ,k = 1. 15 ,設(shè)不同的蓄電池維持天數(shù)n ,輸入計(jì)算機(jī)程序,可以得到一系列組合如表1。圖片附件: 表1 tab1.jpg (2006-3-14 13:50, 19.96 k)最后根據(jù)上海地區(qū)的連陰雨天數(shù)等因素綜合考慮, 方陣傾角取43, 蓄電池容量用450ah /110v ,太陽(yáng)電池方陣功率為2430wp ,用27 塊90wp組件9 串3 并組成。5 結(jié)論獨(dú)立光伏系統(tǒng)必須進(jìn)行最

16、優(yōu)化設(shè)計(jì),綜合考慮其可靠性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),最終確定最佳的太陽(yáng)電池方陣和蓄電池容量組合。計(jì)算傾斜面上月平均太陽(yáng)輻照量,可采用klien 和theilacker 提出的計(jì)算方法。方陣的最佳傾角按照負(fù)載的性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐臍庀蠹暗乩項(xiàng)l件以及滿足蓄電池維持天數(shù)等條件的不同而改變,可以通過比較不同角度時(shí)滿足負(fù)載要求的最小容量配置來確定。通常對(duì)于不同的蓄電池維持天數(shù),其方陣的最佳傾角不一定相同。一般情況下,溫度對(duì)于光伏方陣工作的影響可以不必考慮。參考文獻(xiàn):1 楊金煥,黃曉櫓,陸鈞. 一種獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法j . 太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1995 ,16(4) :407 - 414.2 chapman r n. deve

17、lopment of sizing nomograms for stand2alone photovoltaic/ storage systems j . solar energy ,1989 ,43 (2) : 71 - 76.3 方榮生,等. 太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)m . 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1985.4 yakup m a h , malik a q. optimum tilt angle and orientation for solar collector in brunei darussalamj . renewableenergy , 2001 ,24 :223 - 234.5 klien s a , theilacker j c. an algorithm for calculating monthly2average radiation on inclined surfacesj . journal of solar energy engineering , 1981 ,103 :2933. 6 duffie j a , backman wa. solar engineering of thermal processe