太陽能光伏發(fā)電技術在海南地區(qū)低溫儲糧中的應用研究

張紅建，鄒 易，趙 闊，陳 艷，鄭聯(lián)合，謝更祥

海南省糧油科學研究所 (瓊海 571400)

2017-06-16

海南省科學事業(yè)費項目(項目編號：2013-02)。

張紅建，男，1989年出生，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白。

*通訊作者：謝更祥，男，1968年出生，工程師，研究方向為糧食儲藏與害蟲防治研究。

太陽能光伏發(fā)電技術在海南地區(qū)低溫儲糧中的應用研究

張紅建，鄒 易，趙 闊，陳 艷，鄭聯(lián)合，謝更祥*

海南省糧油科學研究所 (瓊海 571400)

對海南地區(qū)某占地面積為270 m2的糧倉屋頂鋪設太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，通過對光伏發(fā)電類型、太陽能組件、離網(wǎng)逆變器等的選擇，設計并鋪設了一個總直流輸出功率為29 160 W的離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。正常情況下，該系統(tǒng)日平均產生直流電量116 kW·h，平均系統(tǒng)轉換效率為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2匹空調提供電能。如外網(wǎng)每年再輔以4 050.9 kW·h電能用于谷物冷卻機在糧溫升高時對其進行降溫，則1年內倉庫中平均糧溫維持在20 ℃條件下的時間達到10個月，可基本實現(xiàn)準低溫儲藏。

海南地區(qū)；太陽能光伏發(fā)電；低溫儲糧

海南為高溫、高濕、高鹽地區(qū)，糧食在儲藏過程中極易陳化。通常，稻谷在該地區(qū)儲藏2年，各項質量指標便達到“輕度不宜存”水平。大量研究表明[1-3]，低溫儲糧能有效延緩稻谷陳化，延長稻谷儲藏期。但低溫儲糧所用設備，如谷物冷卻機和空調機組等，耗電量大，儲糧成本高，這大大限制了低溫儲糧在海南地區(qū)的推廣與應用。

近年來，隨著太陽能光伏發(fā)電技術的快速發(fā)展以及政府部門的大力倡導與支持，通過屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)給居民樓提供日常照明、空氣調節(jié)等已廣泛應用。糧倉所在地一般較為空曠，屋頂無遮陽且面積大，是利用太陽能光伏發(fā)電的有力場所。因此，部分專家學者也以開展用太陽能光伏發(fā)電為谷物冷卻機、空調機組等提供動力來實現(xiàn)低溫儲糧的研究。張民平[4]等在上海地區(qū)某糧庫倉頂安裝了1 600 m2，總裝機功率155 kW的光伏電站，實現(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]等在安徽國家糧食儲備庫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)電量達到166.3 MW·h。黃志軍[6]等通過在糧食倉庫屋面鋪設太陽能光伏陶瓷瓦556.2 m2，每年太陽能光伏發(fā)電量達到40 000 kW·h。

海南地處熱帶北緣，年光照達1 750～2 650 h，光照率達50%～60%，光溫充足，太陽能可利用率大。但利用太陽能光伏發(fā)電技術在海南地區(qū)實施低溫儲糧的研究尚屬空白。因此，本文以海南地區(qū)某庫為例，設計、安裝糧倉屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對其在低溫儲糧中的應用效果進行分析，以期為太陽能光伏發(fā)電技術在海南地區(qū)低溫儲糧中的推廣應用提供借鑒。

1 庫區(qū)基本條件及光伏發(fā)電系統(tǒng)設計要求

1.1庫區(qū)基本條件

倉庫為平房倉，寬9 m，長42 m，裝糧線高6 m，平屋頂，屋頂無隔熱措施，屋頂面積為378 m2。試驗時將倉庫分成2個廒間，一1個廒間為9 m×30 m，另1個廒間為9 m×12 m。選擇9 m×30 m的廒間為試驗倉，在其屋頂鋪設太陽能光伏發(fā)電組件。9 m×12 m的廒間不作處理。

倉庫周圍無大型建筑，屋頂無遮陽情況。根據(jù)美國NASA(航空航天局)的網(wǎng)站查詢可知，庫區(qū)峰值日照時數(shù)為4.44 h，太陽能光伏發(fā)電潛力巨大。

1.2設計要求

根據(jù)海南地區(qū)溫度高、全年溫度較為平均以及臺風較多的特點，本光伏發(fā)電系統(tǒng)應滿足一下幾點要求：一是，光伏發(fā)電能全年維持在較為恒定的水平，能為空調機組全年穩(wěn)定供電；二是，光伏組件在安裝時應充分考慮臺風對組件的影響，嚴防組件被臺風刮倒。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模及運行方式

本光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝于試驗倉屋頂，電池組件總安裝面積小于270 m2，裝機總設計容量在30 kWp左右。系統(tǒng)裝機容量較小，且主要用于為空調機組供電，再加上并網(wǎng)相關手續(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太陽能電池組件的選擇

目前，我國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，光電轉化率在15%左右，但價格稍微高，適用于陰雨較多，陽光相對不足的地區(qū)。多晶硅電池光電轉化率在12%左右，略低于單晶硅電池，但其制造材料簡便，生產成本低，較適用于太陽能充足的地區(qū)。非晶硅太陽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，對太陽光照條件要求較低，但其光電轉化率僅為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 電池組件各項技術參數(shù)

2.3太陽能離網(wǎng)逆變器的初選

離網(wǎng)逆變器選擇時應充分考慮其可靠性、高效率性以及對蓄電池組過放電保護的功能?？紤]到海南地區(qū)夏季溫度較高，且時有臺風經過，因此該地區(qū)使用的離網(wǎng)逆變器應具有散熱能力和抗不良環(huán)境能力強的特點。小型逆變器發(fā)電效率較高，系統(tǒng)配置靈活，散熱能力強，故障維修方便。經多方詳細調查、比較，本系統(tǒng)初步選用合肥陽光牌離網(wǎng)逆變器SN110 5KSD1，見表2。

表2 離網(wǎng)逆變器技術參數(shù)

2.4太陽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，當串聯(lián)組件為7(件)時，串聯(lián)組件的最高電壓已達到156.1 V，超過離網(wǎng)逆變器允許輸入的最大電壓150 V。因此為更好的保護設備，串聯(lián)組件選擇6(件)。此時，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。

通過以上分析，太陽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%)。總太陽能組件數(shù)為216件，總直流輸出功率為29 160 W。

2.5太陽能電池組件方陣方位角及傾斜角的確定

太陽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(向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度)。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，太陽電池發(fā)電量是最大的。葛強[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%。傾斜角是太陽能電池方陣平面與水平地面的夾角，最佳傾斜角為太陽能電池年發(fā)電量最大時的年間最大傾斜角，一般與當?shù)鼐暥扔嘘P，緯度越高，相應的傾斜角也越大。因海南地區(qū)緯度相對較低，陽光充足，但時有臺風發(fā)生，結合以上因素，本系統(tǒng)的太陽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)光伏電氣設計

每個太陽能電池列陣均采用一個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個方陣共6臺直流防雷匯流箱。每個匯流箱的輸出端，均接入一個離網(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化為220 V的交流。6臺直流防雷匯流箱共6臺離網(wǎng)逆變器。6臺離網(wǎng)逆變器都匯入1臺交流配電箱中，交流配電箱作為一個集中的為負載提供電能的接口。

2.7監(jiān)控管理系統(tǒng)、安全措施等設計

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?？赏ㄟ^組態(tài)邏輯實現(xiàn)自動閉環(huán)控制操作，也可實現(xiàn)人工控制。在安全措施上，系統(tǒng)配備自動檢測、自動報警、自動控制等一系列功能。同時，倉房屋頂、配電箱、逆變器等都裝有防雷裝置，所以設備都具有良好的接到保護。

3 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)應用效果

3.1系統(tǒng)發(fā)電量

本系統(tǒng)裝機總容量29 160 W，安裝完成后該系統(tǒng)已正常運行1年。在此期間，晴朗天氣下，該系統(tǒng)日平均產生直流電量116 kW·h。本系統(tǒng)在發(fā)電過程中，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)轉換為220 V、50 Hz交流電供空調機組使用時其平均系統(tǒng)轉換效率為0.65，即每日太陽能光伏系統(tǒng)能提供220 V、50 Hz的交流電量75.4 kW·h為空調機組供電。

3.2太陽能光伏供電條件下糧溫變化情況

根據(jù)以上情況，本試驗倉安裝了2臺2匹的空調(2臺空調功率共2 940 W)，每日24h全天候開機以維持倉內稻谷在較低溫度，空調機組日耗電量共為70 560 W·h<75.4 kW·h，因此，本太陽能光伏系統(tǒng)能維持2臺2匹空調每日24 h為糧庫供電。

在2臺2匹空調控溫條件下，2015年7月至2016年7月之間，倉庫內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，即便在空調機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，利用1臺谷物冷機對糧堆進行降溫處理，谷物冷卻機電能由外網(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，此過程共消耗外網(wǎng)電能4 050.9 kW·h。然后繼續(xù)開啟空調機組對糧溫進行維持。糧食在儲藏過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，太陽能光伏發(fā)電所得電能就能維持該試驗倉中1年內有10個月平均糧溫低于20 ℃。

圖1 糧堆平均溫度隨時間的變化曲線

4 結論

海南為高溫、高濕地區(qū)，糧食儲藏過程中極易陳化。利用海南地區(qū)日照時間長、太陽能資源充足的特點，在庫區(qū)屋頂鋪設太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為糧庫提供電能實現(xiàn)低溫儲糧是解決以上問題的有效辦法。本文以海南地區(qū)一個占地9 m×30 m、裝糧線6 m的平房倉為例，研究在該倉房屋頂鋪設太陽能離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過對光伏發(fā)電類型、規(guī)模、太

陽能組件、離網(wǎng)逆變器等的選擇，設計、鋪設了一個總直流輸出功率為29 160 W的離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已正常運行1年，晴朗天氣下，該系統(tǒng)日平均產生直流電量116 kW·h，能全天候24 h為2臺2匹空調提供電能。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在糧溫升高時對其進行降溫，則1年內倉庫中平均糧溫維持在20 ℃條件下的時間達到10個月，基本可實現(xiàn)準低溫儲藏。

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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