云南高原地區(qū)農(nóng)村家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

李偉，李明

云南高原地區(qū)農(nóng)村家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

李偉，李明

（西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

云南高原地區(qū)太陽能資源豐富，太陽能發(fā)電潛力僅次于水電，但很多地方地形險峻造成缺電、用電難的困境，設(shè)計開發(fā)的小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)能解決這些地方的家庭用電問題，期待小型家用光伏發(fā)電系統(tǒng)能在云南高原地區(qū)推廣。

云南高原地區(qū)；光伏發(fā)電；小型家用光伏發(fā)電；系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

隨著傳統(tǒng)能源不斷消耗和需求量不斷加大，全球生態(tài)環(huán)境污染、能源短缺、極端氣候頻發(fā)問題已是當(dāng)今國際迫在眉睫亟待解決的重大問題，如今發(fā)展可再生能源是替代傳統(tǒng)化石能源瀕臨枯竭的最好的一種途徑，也是各國能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的總趨勢。太陽能光伏發(fā)電是一種清潔方便獲取于一身的能源方式，在中國陽光資源豐富的高原地區(qū)應(yīng)用較為普遍，例如云南高原地區(qū)在全國太陽能資源就僅次于與西藏、青海等省區(qū)，有數(shù)據(jù)表明云南全省太陽能資源總儲量為3 620～6 682 MJ/m2，相當(dāng)于每年獲得731億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，絕大部分地區(qū)的年平均太陽總輻射量為4 500～6 000 MJ/m2，所以云南高原地區(qū)有以最少的經(jīng)濟代價獲得最高的能源利用效益的得天獨厚的巨大優(yōu)勢，使用獨立自發(fā)自用的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)能為云南高原偏遠山區(qū)農(nóng)村居民不通電、用電難的困境提供了一個比較可行的解決方案。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電是太陽能通過太陽能電池板在光生伏特效應(yīng)作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[1]。一般來講，一個完整的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由多個部分組成，主要部件有太陽能電池板或光伏陣列、逆變器、切換控制器。

一個典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)[1]如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理[2]

在白天光照條件下，太陽能電池板產(chǎn)生一定電動勢，通過串并聯(lián)的電池組件達到一定要求的直流電壓，輸入逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電提供給家用電器用電，同時充放電控制器對蓄電池進行充電，將電能儲存起來，以保證夜間蓄電池為逆變器供應(yīng)輸入電壓。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)形式

目前應(yīng)用廣泛的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)形式主要為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨立（離網(wǎng)）光伏系統(tǒng)[3]，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是直接與電網(wǎng)相連并輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨立光伏系統(tǒng)則是依靠蓄電池儲存太陽能電池板輸出的電能，再由逆變器轉(zhuǎn)換為交流電供電，其特點是不與電網(wǎng)連接，獨立發(fā)電自用，主要適用于因供電線路架設(shè)困難而使電網(wǎng)無法延伸到用戶家中的情況，對于云南偏遠山區(qū)，電網(wǎng)覆蓋稀少的地區(qū)尤其適合。

2.4 市場前景評估

太陽能光伏發(fā)電在現(xiàn)今傳統(tǒng)能源危機和環(huán)境污染背景下有著鮮明的可持續(xù)特征的替代能源，也擁有巨大發(fā)展?jié)摿?，可以預(yù)測，未來將是清潔能源的大行其道的時代，傳統(tǒng)化石能源將隨著日趨枯竭退出歷史舞臺。

本文以云南高原家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場前景進行分析。

隨著光伏發(fā)電成本不斷降低及政府補貼到位，光伏發(fā)電已成為廉價、低碳、環(huán)保的可重復(fù)利用的清潔能源。云南擁有豐富太陽能資源，近幾年來開始加大太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的扶持，加大投入，光伏發(fā)電裝機容量逐年提高。但云南高原地區(qū)占了全省面積的90%，山高谷深，地勢險峻，很多山區(qū)經(jīng)濟水平落后，部分地區(qū)依然沒有通電，山村居民日常照明還在使用蠟燭或油燈，電網(wǎng)覆蓋不到村民家中極大影響村民生產(chǎn)生活，經(jīng)濟發(fā)展必然受到影響，山村需要發(fā)展經(jīng)濟，電力跟不上，決定了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在這些地區(qū)擁有巨大應(yīng)用市場。據(jù)前述光伏發(fā)電系統(tǒng)使用成本不斷下降，其安裝方便、施工量較小，前期投入可由當(dāng)?shù)卣o與補貼，后期運行成本遠低于電網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在云南高原地區(qū)有著不可估量的應(yīng)用前景。

3 家用小型太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計與選型

3.1 負載分析

根據(jù)調(diào)查，云南山區(qū)農(nóng)村家庭按農(nóng)村常駐3～4口人的生活用電需求，用電負載[4]如表1所示。

表1 云南山區(qū)農(nóng)村家庭主要用電負荷表

負載類型規(guī)格額定功率/W數(shù)量日用時/h日耗電/W·h 照明燈節(jié)能燈/LED燈56530 電視機32寸液晶10013300 衛(wèi)星接收機 251375 電飯煲4 L50011500 電磁爐 1 200111 200 洗衣機波輪25011250 電腦臺式30011300 飲水機立式30011300 合計 2 68014162 955

一戶山區(qū)農(nóng)村家庭用電即使?jié)M功率用電次數(shù)也較城市居民少，不少農(nóng)村居民還保留了燒柴燒煤的生活習(xí)慣，日均、年均用電消耗比城市小很多，因此云南山區(qū)農(nóng)村家庭用電負荷平均在3 kW以下，一個3kW光伏發(fā)電系統(tǒng)是具有代表性的應(yīng)用實例。

3.2 太陽能電池板陣列設(shè)計與選型

太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅電池三種[3]，多個太陽能電池單元通過串并聯(lián)形成陣列，實現(xiàn)將光能轉(zhuǎn)換為電能。目前單晶硅和多晶硅電池較非晶硅電池轉(zhuǎn)化率高，使用壽命較長，且技術(shù)比較成熟，市場化應(yīng)用比較普遍，綜合考慮之下，決定采用性價比更高的多晶硅電池。

太陽能電池組件總?cè)萘康脑O(shè)計公式為：

總=H/H=1.5H/m[5]（1）

式（1）中：總為太陽能電池組件功率單位瓦，W；H為用電負載功率，W；m為當(dāng)?shù)胤逯等照諘r間，h。

經(jīng)查云南地區(qū)平均峰值日照時間為4.47 h，將數(shù)據(jù)代入式（1）可得總為1 005 W。本設(shè)計選用10塊110 Wp/12 V電池組件，2塊串聯(lián)5塊并聯(lián)共1 100 W構(gòu)成電池陣列。

3.3 逆變器的選型

太陽能電池陣列一般輸出為直流12 V、24 V、48 V，為了給家用220 V交流負載供電，還需在電池陣列后面加裝DC-VC逆變器，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。逆變器功率計算公式[6]為：

逆=F/80%（2）

式（2）中：逆為逆變器所需功率；F為用電負載功率。代入數(shù)據(jù)得逆=3 750 W，可選擇合肥陽光公司的SG4KTL-M逆變器。

3.4 控制器選型

控制器是光伏的核心部件之一，主要作用是控制太陽能電池組件所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)控制，對蓄電池組起到過充過放、短路、防反接等多項保護作用。

總=總/（3）

式（3）中：總為太陽能電池組件工作電流；總為太陽能電池組件功率；為系統(tǒng)工作電壓，取24 V。代入數(shù)據(jù)得總=41.88 A，因此可選擇24 V/50 A的控制器。

3.5 蓄電池的選擇方案

蓄電池的作用是將白天負載工作剩余的電能儲存起來，晚上或光線陰暗時再將存儲的電能通過逆變器供給負載用電。常見的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰離子蓄電池和磷酸鐵鋰蓄電池。其中又以鉛酸蓄電池價格低廉、易于維護、使用壽命長等優(yōu)點應(yīng)用最廣，所以本設(shè)計選用鉛酸蓄電池作為儲能設(shè)備，蓄電池參數(shù)中最重要的就是容量，其計算公式[1，7]為：

=0/d（4）

式（4）中：為蓄電池容量值，kW·h；0為每天平均用電量，kW·h；為最長連續(xù)無日照天數(shù)，取3 d；d為蓄電池放電深度系數(shù)，取0.75；為逆變器轉(zhuǎn)換效率，取0.85。代入數(shù)據(jù)計算得：=3×3/0.75×0.85=14.12 kW·h，采用12 V蓄電池，以Ah（安時）單位表示時的蓄電池容量0=/12= 1 176.7 Ah。

蓄電池串聯(lián)數(shù)=系統(tǒng)工作電壓/蓄電池標(biāo)稱電壓；蓄電池并聯(lián)數(shù)=蓄電池總?cè)萘?蓄電池標(biāo)稱容量。因此可選用12塊標(biāo)稱電壓12 V，200 Ah的鉛酸蓄電池，2串6并起來使用，可與24 V直流系統(tǒng)工作電壓一致。

4 結(jié)語

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，政府扶持在整個發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，政策傾斜、資金補貼使得更多的光能資源豐富之地得以發(fā)揮巨大功效，本文所開發(fā)的小型3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)能為云南偏遠山區(qū)用電困難、缺電、少電的地方起到積極的推廣示范作用，改善村民的生活質(zhì)量，也能使村民在一定程度上擯棄長期以來砍伐樹木取材燒火的不利于環(huán)保的習(xí)慣，隨著光伏發(fā)電成本不斷降低和政府資金投入，光伏發(fā)電系統(tǒng)將成為這些地區(qū)的用電首選，完全是可行和可能的。

［1］廖育武，薛建科.光伏發(fā)電技術(shù)原理及工程應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2018.

［2］魏學(xué)業(yè)，王立華，張俊紅.光伏發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

［3］任新兵.太陽能光伏發(fā)電工程技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［4］付宏才，董曉.云南農(nóng)村家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與探討［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015（5）：11-13.

［5］王影星.家用離網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技與企業(yè)，2015（24）：184-186.

［6］楊軍杰.青藏高原家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用研究［J］.青海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（4）：70-73.

［7］縣永平.常用3 kW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案［J］.甘肅科技，2011（9）：69-73.

TN615

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.016

2095－6835（2019）24－0040－02

李偉（1973—），云南昆明人，本科，實驗師，研究方向為電氣自動化及電子技術(shù)實驗教學(xué)。

〔編輯：嚴麗琴〕