張紅建，鄒 易，趙 闊，陳 艷，鄭聯(lián)合，謝更祥

海南省糧油科學(xué)研究所 (瓊海 571400)

2017-06-16

海南省科學(xué)事業(yè)費(fèi)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-02)。

張紅建，男，1989年出生，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食、油脂及植物蛋白。

*通訊作者：謝更祥，男，1968年出生，工程師，研究方向?yàn)榧Z食儲(chǔ)藏與害蟲防治研究。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在海南地區(qū)低溫儲(chǔ)糧中的應(yīng)用研究

張紅建，鄒 易，趙 闊，陳 艷，鄭聯(lián)合，謝更祥*

海南省糧油科學(xué)研究所 (瓊海 571400)

對(duì)海南地區(qū)某占地面積為270 m2的糧倉(cāng)屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電類型、太陽(yáng)能組件、離網(wǎng)逆變器等的選擇，設(shè)計(jì)并鋪設(shè)了一個(gè)總直流輸出功率為29 160 W的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。正常情況下，該系統(tǒng)日平均產(chǎn)生直流電量116 kW·h，平均系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率為0.65，能提供220 V、50 Hz的交流電量75.4 kW·h，能全天候24 h為2臺(tái)2匹空調(diào)提供電能。如外網(wǎng)每年再輔以4 050.9 kW·h電能用于谷物冷卻機(jī)在糧溫升高時(shí)對(duì)其進(jìn)行降溫，則1年內(nèi)倉(cāng)庫(kù)中平均糧溫維持在20 ℃條件下的時(shí)間達(dá)到10個(gè)月，可基本實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。

海南地區(qū)；太陽(yáng)能光伏發(fā)電；低溫儲(chǔ)糧

海南為高溫、高濕、高鹽地區(qū)，糧食在儲(chǔ)藏過(guò)程中極易陳化。通常，稻谷在該地區(qū)儲(chǔ)藏2年，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)便達(dá)到“輕度不宜存”水平。大量研究表明[1-3]，低溫儲(chǔ)糧能有效延緩稻谷陳化，延長(zhǎng)稻谷儲(chǔ)藏期。但低溫儲(chǔ)糧所用設(shè)備，如谷物冷卻機(jī)和空調(diào)機(jī)組等，耗電量大，儲(chǔ)糧成本高，這大大限制了低溫儲(chǔ)糧在海南地區(qū)的推廣與應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展以及政府部門的大力倡導(dǎo)與支持，通過(guò)屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)給居民樓提供日常照明、空氣調(diào)節(jié)等已廣泛應(yīng)用。糧倉(cāng)所在地一般較為空曠，屋頂無(wú)遮陽(yáng)且面積大，是利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的有力場(chǎng)所。因此，部分專家學(xué)者也以開展用太陽(yáng)能光伏發(fā)電為谷物冷卻機(jī)、空調(diào)機(jī)組等提供動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧的研究。張民平[4]等在上海地區(qū)某糧庫(kù)倉(cāng)頂安裝了1 600 m2，總裝機(jī)功率155 kW的光伏電站，實(shí)現(xiàn)了夏季發(fā)電量47.4 kW·h，冬季發(fā)電42.7 kW·h。黃志甲[5]等在安徽國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)建立了直流總功率為162 kW的光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，年發(fā)電量達(dá)到166.3 MW·h。黃志軍[6]等通過(guò)在糧食倉(cāng)庫(kù)屋面鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏陶瓷瓦556.2 m2，每年太陽(yáng)能光伏發(fā)電量達(dá)到40 000 kW·h。

海南地處熱帶北緣，年光照達(dá)1 750～2 650 h，光照率達(dá)50%～60%，光溫充足，太陽(yáng)能可利用率大。但利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在海南地區(qū)實(shí)施低溫儲(chǔ)糧的研究尚屬空白。因此，本文以海南地區(qū)某庫(kù)為例，設(shè)計(jì)、安裝糧倉(cāng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)其在低溫儲(chǔ)糧中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以期為太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在海南地區(qū)低溫儲(chǔ)糧中的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 庫(kù)區(qū)基本條件及光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1庫(kù)區(qū)基本條件

倉(cāng)庫(kù)為平房倉(cāng)，寬9 m，長(zhǎng)42 m，裝糧線高6 m，平屋頂，屋頂無(wú)隔熱措施，屋頂面積為378 m2。試驗(yàn)時(shí)將倉(cāng)庫(kù)分成2個(gè)廒間，一1個(gè)廒間為9 m×30 m，另1個(gè)廒間為9 m×12 m。選擇9 m×30 m的廒間為試驗(yàn)倉(cāng)，在其屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電組件。9 m×12 m的廒間不作處理。

倉(cāng)庫(kù)周圍無(wú)大型建筑，屋頂無(wú)遮陽(yáng)情況。根據(jù)美國(guó)NASA(航空航天局)的網(wǎng)站查詢可知，庫(kù)區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)為4.44 h，太陽(yáng)能光伏發(fā)電潛力巨大。

1.2設(shè)計(jì)要求

根據(jù)海南地區(qū)溫度高、全年溫度較為平均以及臺(tái)風(fēng)較多的特點(diǎn)，本光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)滿足一下幾點(diǎn)要求：一是，光伏發(fā)電能全年維持在較為恒定的水平，能為空調(diào)機(jī)組全年穩(wěn)定供電；二是，光伏組件在安裝時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)對(duì)組件的影響，嚴(yán)防組件被臺(tái)風(fēng)刮倒。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模及運(yùn)行方式

本光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于試驗(yàn)倉(cāng)屋頂，電池組件總安裝面積小于270 m2，裝機(jī)總設(shè)計(jì)容量在30 kWp左右。系統(tǒng)裝機(jī)容量較小，且主要用于為空調(diào)機(jī)組供電，再加上并網(wǎng)相關(guān)手續(xù)較為繁瑣，因此，該系統(tǒng)采用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.2太陽(yáng)能電池組件的選擇

目前，我國(guó)常用的電池種類有單晶硅電池、多晶硅電池以及非晶硅電池。單晶硅電池性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)化率在15%左右，但價(jià)格稍微高，適用于陰雨較多，陽(yáng)光相對(duì)不足的地區(qū)。多晶硅電池光電轉(zhuǎn)化率在12%左右，略低于單晶硅電池，但其制造材料簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本低，較適用于太陽(yáng)能充足的地區(qū)。非晶硅太陽(yáng)能電池制造方法與以上兩種完全不同，硅材料消耗很少，電池可以制成很薄，對(duì)太陽(yáng)光照條件要求較低，但其光電轉(zhuǎn)化率僅為10%左右。本系統(tǒng)選用英利公司的YL135P-17b型多晶硅電池組件。電池組件各參數(shù)見表1。

表1 電池組件各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)

2.3太陽(yáng)能離網(wǎng)逆變器的初選

離網(wǎng)逆變器選擇時(shí)應(yīng)充分考慮其可靠性、高效率性以及對(duì)蓄電池組過(guò)放電保護(hù)的功能?？紤]到海南地區(qū)夏季溫度較高，且時(shí)有臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)，因此該地區(qū)使用的離網(wǎng)逆變器應(yīng)具有散熱能力和抗不良環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)。小型逆變器發(fā)電效率較高，系統(tǒng)配置靈活，散熱能力強(qiáng)，故障維修方便。經(jīng)多方詳細(xì)調(diào)查、比較，本系統(tǒng)初步選用合肥陽(yáng)光牌離網(wǎng)逆變器SN110 5KSD1，見表2。

表2 離網(wǎng)逆變器技術(shù)參數(shù)

2.4太陽(yáng)能電池組件方陣的確定

離網(wǎng)逆變器允許輸入電壓范圍在99～150 V，電池組件峰值功率電壓為17.6 V，因此，組件最大串聯(lián)數(shù)為8(件)。而電池組件開路電壓為22.3 V，當(dāng)串聯(lián)組件為7(件)時(shí)，串聯(lián)組件的最高電壓已達(dá)到156.1 V，超過(guò)離網(wǎng)逆變器允許輸入的最大電壓150 V。因此為更好的保護(hù)設(shè)備，串聯(lián)組件選擇6(件)。此時(shí)，離網(wǎng)逆變器輸入電壓為105.6 V，最大輸入電壓為133.8 V。

離網(wǎng)逆變器輸入額定電流為51 A，電池組件峰值功率電流為7.67 A，因此組件最大并聯(lián)數(shù)為6組。而電池組件開路電流為8.2 A，并聯(lián)組件后，離網(wǎng)逆變器的最大輸入電流為49.2 A<51 A。因此，電池組件并聯(lián)6組可行。

通過(guò)以上分析，太陽(yáng)能電池方陣的組件串聯(lián)數(shù)目為6件，并聯(lián)回路為6組。一個(gè)方陣的面積為：36×1.47×0.68=35.98 m2，本系統(tǒng)的總方陣數(shù)量為：屋頂面積×0.85/35.98=6(線路和維修占用面積為屋頂面積的15%)。總太陽(yáng)能組件數(shù)為216件，總直流輸出功率為29 160 W。

2.5太陽(yáng)能電池組件方陣方位角及傾斜角的確定

太陽(yáng)能電池組件方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角(向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度)。一般情況下，方陣朝向正南(即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽(yáng)電池發(fā)電量是最大的。葛強(qiáng)[7]等研究發(fā)現(xiàn)電池板在0°方位角的發(fā)電量比90°方位角發(fā)電量增加了12.63%。傾斜角是太陽(yáng)能電池方陣平面與水平地面的夾角，最佳傾斜角為太陽(yáng)能電池年發(fā)電量最大時(shí)的年間最大傾斜角，一般與當(dāng)?shù)鼐暥扔嘘P(guān)，緯度越高，相應(yīng)的傾斜角也越大。因海南地區(qū)緯度相對(duì)較低，陽(yáng)光充足，但時(shí)有臺(tái)風(fēng)發(fā)生，結(jié)合以上因素，本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池組件以考慮穩(wěn)固性為主，因此決定采用平鋪式。

2.6離網(wǎng)光伏電氣設(shè)計(jì)

每個(gè)太陽(yáng)能電池列陣均采用一個(gè)直流防雷匯流箱將方陣中并聯(lián)的6股小電流匯成1股大電流。6個(gè)方陣共6臺(tái)直流防雷匯流箱。每個(gè)匯流箱的輸出端，均接入一個(gè)離網(wǎng)逆變器的輸入端，便于離網(wǎng)逆變器將接入的高壓直流轉(zhuǎn)化為220 V的交流。6臺(tái)直流防雷匯流箱共6臺(tái)離網(wǎng)逆變器。6臺(tái)離網(wǎng)逆變器都匯入1臺(tái)交流配電箱中，交流配電箱作為一個(gè)集中的為負(fù)載提供電能的接口。

2.7監(jiān)控管理系統(tǒng)、安全措施等設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RS485通訊方式，將發(fā)電系統(tǒng)中采集的如逆變器工作參數(shù)、環(huán)境氣象參數(shù)等發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)?？赏ㄟ^(guò)組態(tài)邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)控制操作，也可實(shí)現(xiàn)人工控制。在安全措施上，系統(tǒng)配備自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)控制等一系列功能。同時(shí)，倉(cāng)房屋頂、配電箱、逆變器等都裝有防雷裝置，所以設(shè)備都具有良好的接到保護(hù)。

3 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.1系統(tǒng)發(fā)電量

本系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘?9 160 W，安裝完成后該系統(tǒng)已正常運(yùn)行1年。在此期間，晴朗天氣下，該系統(tǒng)日平均產(chǎn)生直流電量116 kW·h。本系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中，由于離網(wǎng)逆變器、蓄電池、系統(tǒng)損耗等電量損耗原因，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為220 V、50 Hz交流電供空調(diào)機(jī)組使用時(shí)其平均系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率為0.65，即每日太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)能提供220 V、50 Hz的交流電量75.4 kW·h為空調(diào)機(jī)組供電。

3.2太陽(yáng)能光伏供電條件下糧溫變化情況

根據(jù)以上情況，本試驗(yàn)倉(cāng)安裝了2臺(tái)2匹的空調(diào)(2臺(tái)空調(diào)功率共2 940 W)，每日24h全天候開機(jī)以維持倉(cāng)內(nèi)稻谷在較低溫度，空調(diào)機(jī)組日耗電量共為70 560 W·h<75.4 kW·h，因此，本太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)能維持2臺(tái)2匹空調(diào)每日24 h為糧庫(kù)供電。

在2臺(tái)2匹空調(diào)控溫條件下，2015年7月至2016年7月之間，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)平均糧溫變化情況如圖1所示。由于每年6～10月期間，海南地區(qū)氣溫較高，即便在空調(diào)機(jī)組控溫條件下糧堆平均溫度仍持續(xù)上升，至10月中旬，糧堆平均溫度接近23 ℃。此時(shí)，利用1臺(tái)谷物冷機(jī)對(duì)糧堆進(jìn)行降溫處理，谷物冷卻機(jī)電能由外網(wǎng)提供，其功率為64.3 kW，工作63 h后，糧堆平均溫度降至16 ℃左右，此過(guò)程共消耗外網(wǎng)電能4 050.9 kW·h。然后繼續(xù)開啟空調(diào)機(jī)組對(duì)糧溫進(jìn)行維持。糧食在儲(chǔ)藏過(guò)程中糧溫雖不斷升高，但至2017年7月，糧堆平均溫度仍低于20 ℃。因此，只要外網(wǎng)提供4 050.9 kW·h電能，太陽(yáng)能光伏發(fā)電所得電能就能維持該試驗(yàn)倉(cāng)中1年內(nèi)有10個(gè)月平均糧溫低于20 ℃。

圖1 糧堆平均溫度隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

海南為高溫、高濕地區(qū)，糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中極易陳化。利用海南地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)能資源充足的特點(diǎn)，在庫(kù)區(qū)屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為糧庫(kù)提供電能實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧是解決以上問題的有效辦法。本文以海南地區(qū)一個(gè)占地9 m×30 m、裝糧線6 m的平房倉(cāng)為例，研究在該倉(cāng)房屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電類型、規(guī)模、太

陽(yáng)能組件、離網(wǎng)逆變器等的選擇，設(shè)計(jì)、鋪設(shè)了一個(gè)總直流輸出功率為29 160 W的離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已正常運(yùn)行1年，晴朗天氣下，該系統(tǒng)日平均產(chǎn)生直流電量116 kW·h，能全天候24 h為2臺(tái)2匹空調(diào)提供電能。在以上條件下，外網(wǎng)每年再輔以4 050.9 kW·h電能用于谷物冷卻機(jī)在糧溫升高時(shí)對(duì)其進(jìn)行降溫，則1年內(nèi)倉(cāng)庫(kù)中平均糧溫維持在20 ℃條件下的時(shí)間達(dá)到10個(gè)月，基本可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。

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ApplicationonsolarphotovoltaicpowergenerationtechnologyinlowtemperaturestorageofHainanarea

Zhang Hongjian, Zou Yi, Zhao Kuo, Chen Yan, Zheng Lianhe, Xie Gengxiang*

Hainan Institute of Grain and Oil Science (Qionghai 571400)

A solar photovoltaic power generation system was built on the roof of a granary in Hainan. Through the selection of photovoltaic power generation type, solar module, off-grid inverter, a off-grid solar photovoltaic power generation system was designed and layed， whose total DC output power is 29 160 W. Under normal circumstances, the system generates direct current average daily volume is 116 kW·h, the average system conversion efficiency is 0.65, can provide 220 V, 50 Hz AC power 75.4 kW·h, can be all-weather 24 h for 2 sets of 2 air-conditioning to provide electricity. Such as an external network supplemented by 4 050.9 kW·h per year for the grain cooler to cool the grain temperature when it rises, the average grain temperature in the warehouse within 1 year is maintained at 20 ℃ for 10 months, it can basically achieve quasi-low temperature storage.

Hainan area; solar photovoltaic power generation; low temperature storage

S379

B

1672-5026(2017)05-073-04