谷欣龍

摘 ?要：近年，分布式光伏發(fā)電發(fā)展迅速，在城市中早已率先應用。該文首先介紹了光伏電池的數(shù)學模型，重點針對某寫字樓房頂進行了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)設(shè)計先確定了光伏系統(tǒng)的運行方式，并分析其用電負荷;另外，從陣列方式、組建選型、逆變器選擇、組串設(shè)計等方面開展設(shè)計，確定了針對該寫字樓的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。該文對城市光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：分布式 ?光伏發(fā)電 ?并網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：TM62 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（c）-0031-02

光伏發(fā)電是應用最廣泛的新能源發(fā)電之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)是依據(jù)光電效應原理，光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并通過逆變器進行整流逆變，然后接入負荷或電網(wǎng)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)能源的來源，控制器是整個系統(tǒng)的核心部件之一，蓄電池用于存儲電能并在無光照情況下向負載供電，逆變器用于將直流電變換為交流電[1]。

光伏電池板的輸出是非線性的，在某些情況下表現(xiàn)出恒壓源特性，某些情況下表現(xiàn)出恒流源特性。例如，當光伏電池輸出電壓較小時，輸出電流的變化跟隨電壓的變化幅度很小，光伏電池可看似為恒流源;當光伏電池輸出電壓超過一定的臨界值時，光伏電池輸出電流急劇下降，光伏電池可看似為恒壓源[2]。所以，光伏電池的特性受到日照強度和電池溫度的影響，且在一定的電池溫度和日照強度下有唯一的最大輸出功率點。

1 ?光伏電池數(shù)學模型

光伏電池數(shù)學模型是依據(jù)半導體電子學理論，設(shè)負載為電阻RL，當日照強度恒定時，光電流可看成一恒定電流源，二極管的正向電流ID和并聯(lián)電阻電流Ish都由光電流IL提供，剩余的光電流通過串聯(lián)電阻Rs流出太陽能電池進入負載并在負載端產(chǎn)生電壓V。根據(jù)電流電壓參考方向，太陽電池的I-V方程為：

式中：IL為光電流，A;I0為二極管反向飽和電流，A;q為電子電荷（1.6×1015C）;A為二極管因子;K為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）;T為太陽能表面絕對溫度，K;Rs為串聯(lián)電阻，Ω;Rsh為并聯(lián)電阻，Ω;I為太陽能電池輸出電流，A;V為太陽能電池輸出電壓，V。

2 ?建筑屋頂分布式發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

以某公司寫字樓樓頂為例，該樓占地面積為30842m2，共6層，屋頂可用面積為31502m2，計劃在樓的屋頂安裝太陽能光伏組件。收集當?shù)貧庀髤?shù)是開展光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的必要數(shù)據(jù)之一，也是開展設(shè)計的首要工作。了解當?shù)靥柛Ｉ淞?、旱度、最長陰雨天數(shù)、溫度、海拔等情況，還要掌握光伏方陣安裝區(qū)域的采光情況，確保電池組件采光無遮擋。地理位置及氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的確定對光伏方陣的朝向、最佳傾角、方陣間距設(shè)計具有指導意義。

2.1 光伏系統(tǒng)運行方式設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類，與公共電網(wǎng)相連的為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，而獨立運行不與公共電網(wǎng)相連的為離網(wǎng)型。離網(wǎng)型系統(tǒng)多建設(shè)在遠離公共電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，對儲能系統(tǒng)的要求高。并網(wǎng)型系統(tǒng)多建在離公共電網(wǎng)近的區(qū)域，可以將光伏電能并入大電網(wǎng)或者從電網(wǎng)獲取電能，對儲能系統(tǒng)的依賴低。該系統(tǒng)采用并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，具體工作模式如下。

（1）白天通過太陽能電池板發(fā)電，供應教學樓的用電需求，當供電充裕時，向蓄電池組充電;若蓄電池組充滿，這將多余的電能送至電網(wǎng)。在光照不足或雨雪天氣，由蓄電池組供應電能，不足的部分由電網(wǎng)供電。

（2）夜間太陽能電池板無法工作，由蓄電池組供應電能，不足的部分由電網(wǎng)供電。

2.2 寫字樓用電負荷分析

寫字樓負荷可概括為5類，照明、電腦、加熱、空調(diào)、其他設(shè)備等。每個辦公室有10個40W的電燈，每日工作14h;有32臺120W的電腦，每日工作8h;每個樓層2臺5kW加熱水器，每日工作4h;每個辦公室有1臺2kW，在夏季6～8月每日工作10h;其他設(shè)備3kW，每日工作2h。每層樓總計40個辦公室，總共6層樓。

該光伏發(fā)電系統(tǒng)用于辦公樓的日常照明用電，最大負荷為96kW，日最大用電量為1152kWh。這里我們選擇90kW負荷、日均用電量900kWh作為發(fā)電的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 光伏組件的設(shè)計選型

考慮到控制成本和優(yōu)化效率兩個因素，一般情況下，城市建筑屋頂光伏系統(tǒng)多設(shè)計為用戶側(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)。為了避免光伏組件之間的相互遮擋，在方陣設(shè)計時應計算方陣之間的最小距離。該寫字樓屋頂為水平面，設(shè)計方陣朝向為正南方向，固定式支架傾斜安裝方式[3]。結(jié)合最佳傾角計算方法，設(shè)計傾角為40°，組件平面的最大輻射量為1730kWh/m2。根據(jù)最佳距離的計算，組件長度為1650mm，最佳傾角為40°，在安裝區(qū)域周圍無建筑物遮擋情況下，結(jié)合最小間距計算方法，取方陣間距為3.5m。

根據(jù)寫字樓實際情況，將安裝光伏陣列的位置分為A、B、C、D這4個區(qū)域，用于安裝光伏陣列總面積324m2。根據(jù)4個區(qū)域的寬度及最小間距，區(qū)域A、B、C均可安裝3排每排26個共78個光伏組件的方陣;區(qū)域D可安裝3排每排30個共90個光伏組件。

并網(wǎng)光伏逆變器的額定容量與光伏發(fā)電系統(tǒng)總的裝機容量并網(wǎng)之比稱為額定容量比，應在0.8～1.2之間，能夠保證較好的匹配度，減少逆變損失，該設(shè)計采用組串逆變的設(shè)計方式。屋頂A、B、C三個光伏方陣相似，裝機容量為35.25kWh，采用12臺并網(wǎng)逆變器;屋頂D的裝機容量為42.3kWh，采用8臺并網(wǎng)逆變器。

光伏組串的開路電壓和最大功率點電壓呈負相關(guān)性，光伏組串的最大電壓應小于系統(tǒng)最大電壓[4]。結(jié)合光伏組件和逆變器的參數(shù)，將該系統(tǒng)屋頂平面A、B、C組件陣列分為13個光伏組串，每組串包含18個光伏組件，取串聯(lián)數(shù)目為9，并聯(lián)數(shù)目為2;D組件陣列分為9個光伏組串，每組串有10個光伏組件，取串聯(lián)數(shù)目為10，并聯(lián)數(shù)目為1。

由于白天日照強度充足而光照需求低，夜晚無太陽光照而光照需求大，因此需要配備蓄電池組來對白天產(chǎn)生的電能進行儲備，在晚上再供應發(fā)出電能。在自發(fā)電量不足時，從電網(wǎng)獲取電能供電。這里我們?nèi)》烹娚疃?0%，損耗率0.8，根據(jù)用電負荷以及儲能時長，可算得蓄電池容量Cc=158.6kWh。

3 ?結(jié)語

該文分析了建筑屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和方法，對屋頂光伏系統(tǒng)提出了設(shè)計方案。首先介紹了光伏電池的數(shù)學模型，重點針對某寫字樓房頂進行了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)設(shè)計先確定了光伏系統(tǒng)的運行方式，即白天向負載供電，電能不足時由公共電網(wǎng)補充供電，該系統(tǒng)不向電網(wǎng)供電;另外，從用電負荷分析，陣列方式、組建選型、逆變器選擇、組串設(shè)計等方面開展設(shè)計，確定了針對該寫字樓的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。該文對城市光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計具有借鑒意義。

參考文獻

[1] 張臻宇.基于Pvsyst的建筑屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及效益研究[D].寧夏大學，2016.

[2] 魏新華，段現(xiàn)星，王曉侃.基于DSP的太陽能獨立光伏發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2013，21（9）：2477-2479.

[3] 林國恒.太陽能光伏發(fā)電控制技術(shù)應用研究[J].低碳世界，2018（10）：99-100.

[4] 陳維熙.光伏發(fā)電系統(tǒng)在綠色建筑中的應用研究[J].通信電源技術(shù)，2018，35（7）：173-174.