周鶴寧，鞠振河

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部；b.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量的多少與太陽(yáng)能電池板的功率大小有直接的關(guān)系，除此之外，系統(tǒng)的發(fā)電量還取決于對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率[1]。因此，提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電量有非常大地提升。

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件大多采用了固定式安裝方式，就是將太陽(yáng)能電池組件以一定的傾角固定安裝在支架或傾斜的屋頂上，不會(huì)隨著太陽(yáng)角度地變化而變化角度。這種安裝方式節(jié)省成本且安裝方便，但是嚴(yán)重影響光伏組件的發(fā)電效率。因?yàn)樵谳椪斩认嗤臈l件下，只有陽(yáng)光垂直照射在太陽(yáng)能電池板上，太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率才最大。所以，為了解決這一問(wèn)題，本文使用太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。采用太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能始終最大程度地保證太陽(yáng)能電池板與陽(yáng)光光線垂直，從而保證了發(fā)電效率。

總的來(lái)說(shuō)，雙軸跟蹤式太陽(yáng)能光伏陣列的發(fā)電效率更高，價(jià)格更昂貴，但是長(zhǎng)期的利益還是非?？捎^的。雙軸跟蹤系統(tǒng)的支架一般為單軸支撐，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮其支架的強(qiáng)度問(wèn)題，選用強(qiáng)度大的材料可以抵抗可能遇到的極端天氣，如冰雹、大風(fēng)等天氣。在遇到強(qiáng)風(fēng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸應(yīng)該將電池板轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，從而防止對(duì)組件造成更大的損害；在遇到雨雪天氣時(shí)，可以將電池板垂直豎立，讓雨雪滑落，既能減少損害，又不影響發(fā)電量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本地理?xiàng)l件

為了給環(huán)衛(wèi)工人提供休息場(chǎng)所，可以建造一個(gè)設(shè)計(jì)為一層的太陽(yáng)能房，房屋東西朝向，主體長(zhǎng)16 m，寬8 m，室內(nèi)面積約120 m2。房屋內(nèi)無(wú)大型用電設(shè)備，只有室內(nèi)照明設(shè)備、空調(diào)和熱水器等。房屋建筑本身位于河邊，沒(méi)有其他建筑物，基本不用考慮光伏組件的遮擋問(wèn)題。

光伏電站建于河南省許昌市建安區(qū)飲馬河畔，地理坐標(biāo)為北緯34.08°，東經(jīng)113.86°，海拔73 m，全年中日照時(shí)數(shù)大于6 h 的天數(shù)在200～300 d。河南省太陽(yáng)能資源屬于III 類地區(qū)，此地屬北溫帶季風(fēng)氣候，太陽(yáng)能資源較豐富，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)[2]。各類型的光伏組件在本地區(qū)均可以正常運(yùn)行。

1.2 組件排布

本設(shè)計(jì)選用雙軸跟蹤系統(tǒng)，每?jī)蓧K太陽(yáng)能電池板安裝在一個(gè)支架上，共安裝15 個(gè)支架，總計(jì)為30塊電池板。在保證光伏組件之間不互相遮擋的前提下，最大限度地多安放光伏組件。具體安裝方式如圖1所示。

圖1 組件安裝排布

1.3 光伏組件

先計(jì)算屋內(nèi)用電設(shè)備的日用電量，如表1所示。

表1 負(fù)載功率及日用電量

為了能將發(fā)電量最大化，減少碳排放，本項(xiàng)目選擇功率為290 W 的高效率雙玻單晶硅太陽(yáng)能電池板。其中一部分電池板用于發(fā)電以滿足房屋內(nèi)的用電器消耗，其他電池板全部用于并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)略計(jì)算，8 塊太陽(yáng)能電池板所提供的電能可以滿足屋內(nèi)用電器的需要。剩余的22 塊太陽(yáng)能電池板分為2組，每組11塊串聯(lián)。

1.4 逆變器

在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，關(guān)于逆變器的選型應(yīng)該根據(jù)輸入端光伏組件的功率來(lái)決定[3]。本項(xiàng)目中，逆變器輸入端共有30 塊290 W 太陽(yáng)能光伏組件，其中8塊為房屋供電，功率為

其余的22 塊直接并網(wǎng)，這22 塊分為2 組串聯(lián)，每組11塊，每組功率為

考慮到后期擴(kuò)建的可能性，直接并網(wǎng)的2 組組件選用2臺(tái)5 000 W逆變器，另選1臺(tái)型號(hào)為3 000 W雙向逆變器為房屋供電。當(dāng)房屋電能充足時(shí)，那8 塊太陽(yáng)能光伏組件也將并網(wǎng)發(fā)電；當(dāng)電能不足時(shí)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電。

1.5 蓄電池

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池也是很重要的一部分。由于光伏發(fā)電受天氣影響很大，使之不能發(fā)出穩(wěn)定且可控的電能，因此需要儲(chǔ)能裝置將光伏組件發(fā)出的不規(guī)律的電能儲(chǔ)存起來(lái)，再經(jīng)雙向逆變器送出供給負(fù)載使用。因此，蓄電池的性能影響整個(gè)系統(tǒng)的效率[4]。

鉛酸蓄電池是蓄電池的主力型號(hào)，其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，已經(jīng)發(fā)展了150 年之久，市面上有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，尤其是閥控密封鉛酸蓄電池，得到了廣泛地使用[5]。

原則上，在條件允許的情況下，應(yīng)該盡量提高蓄電池的電壓，這樣才能減少線損，所以這里選用48 V的蓄電池。

2 PVsyst仿真模擬

PVsyst是光伏行業(yè)的一款權(quán)威性的軟件，利用這個(gè)軟件可以對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，還可以對(duì)光伏組件、逆變器、蓄電池等設(shè)備選型，模擬出最大發(fā)電量，獲得最大的收益[6]。

2.1 氣象數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

項(xiàng)目所在地位于許昌，由于PVsyst軟件中沒(méi)有許昌當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，這就需要從metenorm 軟件中導(dǎo)出。從衛(wèi)星地圖上找出太陽(yáng)能房的具體位置，坐標(biāo)為北緯34.08°，東經(jīng)113.86°，將此坐標(biāo)輸入到metenorm 軟件中，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PVsyst 軟件中，如圖2所示。

圖2 許昌當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)

2.2 雙軸跟蹤系統(tǒng)的仿真模擬

打開(kāi)工程設(shè)計(jì)中的Grid—Connected 功能，在field type 選項(xiàng)中選擇Tracking two axis（雙軸跟蹤）。雙軸跟蹤系統(tǒng)有2 個(gè)可旋轉(zhuǎn)的軸，可以分別控制組件的方位角以及傾角，能獲得最大程度的輻照度，提高發(fā)電量。這里的方位角選擇120°限位，高度角為80°限位，如圖3所示。

圖3 選擇雙軸跟蹤系統(tǒng)

打開(kāi)system 選項(xiàng)，這時(shí)可以把已選擇型號(hào)的太陽(yáng)能光伏組件和逆變器的數(shù)據(jù)都輸入到軟件中。串聯(lián)組件數(shù)選擇11，并聯(lián)組件選擇2，逆變器選擇2 臺(tái)。由于房屋沒(méi)有遮擋，不用進(jìn)行陰影遮擋分析，點(diǎn)擊simulation進(jìn)行仿真，得出年發(fā)電量等數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)系統(tǒng)年發(fā)電量

從仿真結(jié)果中可以看到年發(fā)電量等基本信息，并網(wǎng)系統(tǒng)年發(fā)電量為8 780 kW·h。

打開(kāi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的stand alone 進(jìn)行獨(dú)立系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一樣，添加地點(diǎn)為許昌，選擇雙軸跟蹤，然后點(diǎn)擊user’s needs，添加負(fù)載，計(jì)算日用電量，如圖5所示。

圖5 負(fù)載日用電量

計(jì)算日用電量之后，對(duì)蓄電池選型，如圖6 所示。原則上系統(tǒng)電壓越大，損失就會(huì)越小，這里選用48 V系統(tǒng)電壓。蓄電池選用12 V/100 Ah，4串聯(lián)8并聯(lián)共32塊。

圖6 蓄電池的選型

數(shù)值設(shè)定完畢后，點(diǎn)擊simulation，計(jì)算出獨(dú)立系統(tǒng)的年發(fā)電量，軟件根據(jù)許昌當(dāng)?shù)剡^(guò)去20 年氣象數(shù)據(jù)得到仿真結(jié)果，年發(fā)電量為3 006 kW·h，如圖7所示。

圖7 獨(dú)立系統(tǒng)年發(fā)電量

2.3 固定傾角系統(tǒng)的仿真

雙軸跟蹤系統(tǒng)比固定傾角系統(tǒng)擁有更高的發(fā)電效率，為了對(duì)比發(fā)電量的差距，對(duì)固定傾角的排布方式也進(jìn)行了一次仿真模擬。

首先確定傾角，輸入許昌的基本數(shù)據(jù)，可得當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角為30°，如圖8所示。

然后選擇組件排布方式，關(guān)于排布方式，行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)一般為在冬至日正午時(shí)前排組件不能對(duì)后排組件有遮擋，太陽(yáng)能房的長(zhǎng)為16 m，寬為8 m。選擇的太陽(yáng)能電池板的規(guī)格為長(zhǎng)1 658 mm，寬992 mm。

圖8 最佳傾角

先計(jì)算電池板橫豎擺時(shí)的組件安裝數(shù)量，要保證前排組件不遮擋后排。橫擺時(shí)，前后間距至少要達(dá)到1.65 m，此時(shí)屋頂電池板可以擺放6 排，每排4 塊，共計(jì)24 塊；豎擺時(shí)，前后間距要達(dá)到2.75 m，此時(shí)屋頂可以擺放3 排太陽(yáng)能電池板，每排8塊，共計(jì)24 塊。所以，橫豎擺放電池板都能擺放24塊，為了維護(hù)方便選擇橫擺電池板。

經(jīng)過(guò)軟件模擬得出的年發(fā)電量為8 084 kW·h，少于雙軸跟蹤式的年發(fā)電量11 786 kW·h，符合實(shí)際情況，說(shuō)明這一套雙軸跟蹤系統(tǒng)是有成效的。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

本系統(tǒng)所需設(shè)備成本具體如表2所示[7]。

表2 設(shè)備成本一覽表

由此前的PVsyst分析算出第3組8塊組件每年發(fā)電量為3 006 kW·h，每年負(fù)載消耗電量為

上網(wǎng)電量為

整個(gè)系統(tǒng)效率為85%，那么每年的上網(wǎng)電量為

許昌市太陽(yáng)能資源屬于III 類地區(qū)，根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委給出的數(shù)據(jù)，光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.55元/（kW·h），當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)為0.662 元/（kW·h）。利用太能房每年可節(jié)省電費(fèi)

每年發(fā)電可得利潤(rùn)為

光伏組件的壽命大約為25 年，大約共發(fā)電約為192 236 kW·h。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)許昌市建安區(qū)飲馬河畔所建造的太陽(yáng)能房電站進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用PVsyst 仿真模擬，能更直觀、更清晰地分析雙軸跟蹤系統(tǒng)太陽(yáng)能房的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)PVsyst仿真得出的發(fā)電量等數(shù)據(jù)計(jì)算出經(jīng)濟(jì)效益，為本項(xiàng)目電站設(shè)計(jì)提供了一種初步設(shè)計(jì)方案。