家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)仿真與運(yùn)行性能計(jì)算

張嘉澍 金滿 徐洪濤

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)并計(jì)算其年發(fā)電量以研究其運(yùn)行性能。在設(shè)定指定地點(diǎn)地理位置并導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)，并根據(jù)屋頂可用面積決定光伏陣列的排布和逆變器參數(shù)后，利用 PVsyst 軟件對光伏系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并計(jì)算發(fā)電量。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)年發(fā)電量約為7114 kW·h，發(fā)電效率為75.1%。結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該光伏系統(tǒng)發(fā)電量超過了當(dāng)?shù)赜脩裟昶骄秒娏?光伏系統(tǒng)一年中日輸出電量的變化趨勢顯示，光伏系統(tǒng)發(fā)電量高峰時(shí)的日發(fā)電量均值可達(dá)35 kW ·h 以上;而光伏系統(tǒng)發(fā)電量低谷時(shí)的日發(fā)電量均值不足20 kW·h;光伏系統(tǒng)各項(xiàng)損失在理論發(fā)電量中的占比變化趨勢顯示，每年6、7、8月系統(tǒng)的光伏陣列損失最大，其原因是夏季氣溫升高使得光伏陣列運(yùn)行性能受到影響。該光伏系統(tǒng)發(fā)電量可以滿足一般家庭的用電需求，且用戶可以參考光伏系統(tǒng)發(fā)電量的變化趨勢選擇合理的用電方式。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng); PVsyst 軟件;家用;并網(wǎng)

中圖分類號： TK519??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Simulation and calculation of the operation performance of adomestic grid-connected photovoltaic system

ZHANG Jiashu，JIN Man，XU Hongtao

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：A household grid-connected photovoltaic （PV） system was designed，? and its annual power generation was calculated to evaluate its operation performance. Initially， the parameters of PV arrays and inverters were selected by the available area on the roof. And then the software PVsyst was used to simulate and calculate the power generation of the designed system at settinglocation with the associated meteorological data. The results indicated that the annual power generation of this system was 7114 kW ·h， and the operation efficiency was 75%. Combining with the? survey? data，? the? power? generation? of? this? system? exceeded? the? average? annual? power consumption of the households in local area. The daily power output of the PV system indicatedthat average daily power generation of the system maximized at 35 kW ·h， while average dailypower generation could minimize at 20 kW ·h. The fraction of available power generation of this system indicated that the greatest power loss of PV arrays was achieved in June， July， and August due to the influence of high temperature in summer on their performance. In a word， the designed system could meet the demand of electricity consumption in a normal household， and the users could choose the power supply according to the power generation of the PV system.

Keywords：photovoltaic system; PVsyst software; household; grid-connection

近年來，隨著能源需求的持續(xù)增長、全球氣候的日益惡化，人們開始尋求“綠色”可再生能源。而太陽能因其清潔環(huán)保、可再生性、安全可靠的特點(diǎn)，在可再生能源中扮演著重要角色，光伏發(fā)電成為繼水力和風(fēng)力發(fā)電之后的第三大可再生能源發(fā)電技術(shù)，在節(jié)能減排中發(fā)揮著重要作用[1–2]。近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2017年全國光伏發(fā)電量達(dá)1182億 kW·h，對比2016年增長了78.6%[3]。在我國光伏裝機(jī)容量迅速增加的同時(shí)，光伏電站并網(wǎng)的速度卻跟不上裝機(jī)容量的發(fā)展[4]。鼓勵(lì)家庭安裝并網(wǎng)光伏系統(tǒng)成為了一種解決方案，但目前由于組裝光伏系統(tǒng)對于普通家庭來說成本較高，因此評估一個(gè)家用光伏系統(tǒng)的發(fā)電量及運(yùn)行效率等實(shí)際性能對于家庭是否適合安裝光伏系統(tǒng)至關(guān)重要。利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行計(jì)算不僅公式繁瑣，計(jì)算量龐大，且難以實(shí)現(xiàn)發(fā)電量的精確計(jì)算，因此需要利用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件。 PVsyst 軟件是光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，包括廣泛的氣象數(shù)據(jù)庫、光伏系統(tǒng)組件數(shù)據(jù)庫，以及一般的太陽能工具等[5]。該軟件可以大大減少使用者的工作量，并得到更為直觀、精確的結(jié)果。因此，為評估在普通家庭安裝并使用光伏系統(tǒng)的可行性，并為用戶如何合理利用該系統(tǒng)提供參考，本文以上海虹橋地區(qū)某獨(dú)棟樓房為研究對象，設(shè)計(jì)并建立了一個(gè)家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的模型，并利用 PVsyst 軟件對該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真以及運(yùn)行性能的計(jì)算。

1并網(wǎng)光伏系統(tǒng)簡介

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)簡圖如圖1所示。太陽能并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要的工作特點(diǎn)是，由光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后直接進(jìn)入公共電網(wǎng)。光伏陣列所產(chǎn)生的電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力可反饋給電網(wǎng)[6]。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏陣列將光能轉(zhuǎn)變成電能，之后直流電進(jìn)入并網(wǎng)逆變器，有的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中會選擇加入儲能裝置如蓄電池組。

為簡化計(jì)算，本文研究的系統(tǒng)中不設(shè)置儲能設(shè)備。光伏系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器由交流逆變、功率調(diào)節(jié)、充放電控制、并網(wǎng)保護(hù)切換等構(gòu)成。經(jīng)逆變器輸出的交流電供用戶使用，過多的電能通過電力變壓器等設(shè)備送入電網(wǎng)（稱為賣電），而當(dāng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)能量不足時(shí)，則電網(wǎng)將向交流負(fù)載供電（稱為買電），以此構(gòu)成完善的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)[7]。本設(shè)計(jì)為盡可能減少陰影遮擋，選擇在屋頂布置光伏陣列。由于住戶屋頂面積的限制，只靠光伏陣列的發(fā)電量可能無法支持整戶用電量的需求，因此選擇并網(wǎng)系統(tǒng)，在陰雨天或夜晚等發(fā)電量不足以滿足用戶需求的情況下，用戶的日常用電仍可依靠電網(wǎng)。

2家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PVsyst 軟件中地址氣象數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

本設(shè)計(jì)中地址選擇的是上海虹橋，并利用 PVsyst 軟件自帶的 Meteonorm7.2數(shù)據(jù)庫中的氣象數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫包含從1991—2010年近二十年間的氣象數(shù)據(jù)。上海虹橋氣象數(shù)據(jù)如表1所示。由表1中可以得到，上海虹橋一年中各月的總輻射量總和為1274.5 kW?h ?m?2，一年中各月的散射量總和為822.4 kW?h ·m?2，各月平均溫度為17.4 C，各月平均風(fēng)速為3.5 m ? s?1。

2.2房屋模型與光伏場區(qū)域

本設(shè)計(jì)中房屋長1200 cm ，寬800 cm ，高500 cm（不包括屋頂高度），屋頂傾角為30°，光伏場區(qū)域總面積為54 m2。房屋模型及光伏場區(qū)域如圖2所示。

2.3光伏組件的選取

光伏組件（電池陣列）是發(fā)電的核心元件，其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能，供家庭用電使用，或輸送到蓄電池中[8]。本設(shè)計(jì)中選擇 Risen Energy 公司型號為 SYP190S?M 的單晶硅光伏組件，在光伏場區(qū)域共可搭建6組，每組7個(gè)光伏組件，所占面積為54 m2。光伏組件發(fā)電的功率計(jì)算式為[9]

（1）

式中：P 為光伏組件發(fā)電功率;Ns 為光伏組件的串?dāng)?shù);Np 為每串中光伏組件的個(gè)數(shù);Pmax 為單個(gè)光伏組件的最大功率。

經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中光伏組件的發(fā)電功率 P 為8 kW。

2.4逆變器的選取

太陽能光伏系統(tǒng)由于受外部環(huán)境條件影響，其發(fā)電具有間歇性與波動性等不確定性的特點(diǎn)。因此光伏系統(tǒng)在接入輸配電網(wǎng)前，必須經(jīng)過逆變器嚴(yán)格的參數(shù)控制，才能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器是一種將直流電變換成交流電的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備[8]。

逆變器的功率容量計(jì)算式為[9]

Cn = KmLP?? （2）

式中： Cn 為逆變器功率容量;Km 為安全系數(shù)， L 為考慮感性或容性負(fù)載啟動引起沖擊電流而附加的因子。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示[8]，一般情況下，Km 取1.2，L 取1.2，P 取由式（1）計(jì)算到得到的值8 kW。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中逆變器的功率容量 Cn 為11.5 kW。

綜合考慮逆變器的電壓適用范圍，選用2個(gè)5 kW 的逆變器，每側(cè)屋頂各分配一個(gè)。逆變器型號為 SG5KTL?D ，由Sungrow生產(chǎn)，電壓適用范圍為125～560 V。

2.5軟件模型簡介

利用 PVsyst 軟件計(jì)算發(fā)電量時(shí)，需要計(jì)算傾斜面上的太陽輻射總量。對此選用的是 Hay 模型。該模型是計(jì)算太陽輻射的經(jīng)典模型。根據(jù) Hay 模型，傾斜面上的太陽輻射總量 HT 由直接輻射量HbT、天空散射輻射量HdT、地面反射輻射量HrT三部分組成，即

（3）

（4）

式中： Rb 為輻射因子; Hb 為水平面上直接輻射量。

對于朝向赤道的傾斜面，Rb 由式（5）確定，即

式中：?、β、δ分別為當(dāng)?shù)氐木暥?、太陽能電池的傾角、太陽的赤緯角;ωs、ωst分別為水平面上的日落時(shí)角、傾斜面上的日落時(shí)角。

太陽的赤緯角

式中， n 為一年中從元旦算起至當(dāng)天的天數(shù)。

水平面上日落時(shí)角

ωs = arccos（一tan? sin6）

傾斜面上日落時(shí)角

ωst = min{ωs ， arccos[一 tan（?一β）sin6]}

天空散射輻射量為

HdT= Hd [（H ）Rb +（1+cosβ）（1一Hd ）]（9）

式中：Hd、H 分別為水平面上散射輻射量、水平面上總輻射量;H0為大氣層外水平面上輻射量。

式中，Isc為太陽常數(shù)。

地面反射輻射量為

式中，ρ為地面反射率，一般情況下ρ=0.2。

將式（4）、（9）、（11）代入式（3）即可得到傾斜面上太陽輻射總量的表達(dá)式，即

由式（12）并結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃矫嫣栔苯虞椛浜蜕⑸漭椛鋽?shù)據(jù)，可計(jì)算出各地在不同傾角的傾斜面上的太陽輻射量。將各月太陽輻射量的值求和可得全年總輻射量[10]，進(jìn)而計(jì)算出光伏系統(tǒng)一年的發(fā)電量。

基于上述模型，應(yīng)用 PVsyst 軟件可根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地理位置、房屋朝向、屋頂傾角以及氣象數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)等進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。

2.6運(yùn)行結(jié)果與分析

經(jīng)過軟件的仿真運(yùn)算，得到初步的運(yùn)行結(jié)果，包括系統(tǒng)發(fā)電量及運(yùn)行效率。

光伏系統(tǒng)中運(yùn)行效率Pr的表達(dá)式為

式中：Yf為系統(tǒng)實(shí)際輸出電量;Yr為系統(tǒng)理論輸出電量。

軟件的初步運(yùn)行結(jié)果為：系統(tǒng)發(fā)電量為7114 kW.h ·a?1;運(yùn)行效率為75.1%。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[11]，2005—2014年近十年間，上海地區(qū)每年單位面積用電量平均為31.1 kW.h ·m?2，

因此，本設(shè)計(jì)中房屋（雙層）的面積為192 m2，其每年的用電量約為5971.2 kW.h?？梢?，本系統(tǒng)發(fā)電量在滿足一般家庭獨(dú)棟房屋的用電需求后，仍有富余電量，可以反饋給電網(wǎng)。此外，本設(shè)計(jì)為并網(wǎng)系統(tǒng)，在陰雨天或夜晚等光伏無法發(fā)電的情況下，用戶用電仍可依靠電網(wǎng)，不會出現(xiàn)無電可用的情況。因此，本設(shè)計(jì)中的光伏系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗、減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)的作用。越來越多的家用光伏系統(tǒng)投入使用后，將為國家電能的節(jié)約做出貢獻(xiàn)。

通過仿真計(jì)算可得所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在一年中每日輸出電量變化趨勢，結(jié)果如圖3所示。該圖反映了一年中各時(shí)間段該光伏系統(tǒng)可輸出電量的數(shù)據(jù)，可為用戶如何合理利用該光伏系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)家庭用電削峰填谷的作用提供參考。例如，由圖3中可見，每年4月中旬為光伏系統(tǒng)發(fā)電量高峰，日發(fā)電量均值可達(dá)35 kW·h 以上，足以滿足日常用電需求，用戶可選擇減少依賴電網(wǎng)發(fā)電，并可將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電力反饋給電網(wǎng);而每年12月至次年1月為光伏發(fā)電量的低谷，日發(fā)電量均值不足20 kW·h，且由于家用采暖設(shè)備的使用，可能導(dǎo)致所需電力消耗更大，僅靠光伏系統(tǒng)可能無法維持家庭正常用電，因此家庭用電需求在依靠光伏系統(tǒng)的同時(shí)，可更多地依靠電網(wǎng)。

此外，通過模擬計(jì)算可得到一年中某天光伏系統(tǒng)發(fā)電功率隨時(shí)間的變化。例如，圖4為一年中某天（1月1日）光伏系統(tǒng)在各時(shí)間段的發(fā)電功率，可為用戶用電方式提供參考。由圖4中可見，1月1日在06：00之前光伏系統(tǒng)無法輸出電能，而在中午10：00～12：00之間輸出電能達(dá)到峰值，發(fā)電功率可達(dá)2500 W 左右，16：00之后系統(tǒng)又停止發(fā)電。以此類推，用戶可根據(jù)自身需要，參考該圖來盡量選擇光伏系統(tǒng)發(fā)電功率的峰值時(shí)間段作為用電高峰時(shí)間段，合理利用光伏系統(tǒng)的電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖5為一年中各月份光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有用發(fā)電量及各項(xiàng)損失在光伏系統(tǒng)的理論發(fā)電量中的占比的變化趨勢。可見，每年6、7、8月系統(tǒng)的光伏陣列損失較同年其他月份大。其原因是夏日陽光直射導(dǎo)致光伏板溫度過高，從而使其效率下降。這也為將來的研究方向提供了啟示，即如何解決光伏板在太陽照射下溫度過高的問題。

3結(jié)論

本文利用商業(yè)軟件 PVsyst，對所設(shè)計(jì)的上海虹橋地區(qū)某獨(dú)棟樓房的家用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明：

（1）本設(shè)計(jì)中的光伏系統(tǒng)年發(fā)電量為7114 kW ?h，超過當(dāng)?shù)赜脩裘磕昶骄彝ビ秒娏?，因此可以滿足一般家庭的用電需求。

（2）光伏系統(tǒng)一年中日輸出電量的變化趨勢表明，每年4月中旬為光伏系統(tǒng)發(fā)電量高峰，日發(fā)電量均值可達(dá)35 kW·h 以上;而每年12月至次年1月為光伏系統(tǒng)發(fā)電量低谷，日發(fā)電量均值不足20 kW·h。結(jié)合一年中某天光伏系統(tǒng)發(fā)電功率的變化趨勢，可為用戶合理用電提供參考。

（3）光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有用發(fā)電量及各項(xiàng)損失占比的變化趨勢表明，每年6、7、8月系統(tǒng)中光伏陣列損失最大，其原因是夏日陽光直射導(dǎo)致光伏陣列溫度升高，從而引起效率下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顏蘇莉， 孫婧豪.我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及解決之道[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版， 2016（1）：9-12.

[2] 翁琳， 陳劍波.光伏系統(tǒng)基于全生命周期碳排放量計(jì)算的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2017， 39（3）：282-288.

[3] 王金朝.我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].技術(shù)與市場， 2018， 25（8）：172.

[4] 李雷， 楊春.我國光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展策略研究[J].中外能源， 2012， 17（4）：28-37.

[5] 黃旭峰. PVsyst 軟件在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].城市道橋與防洪， 2019（5）：326-329.

[6] 袁曉， 趙敏榮， 胡希杰， 等.太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用[J].上海電力， 2006， 19（4）：342-347.

[7] 黃鶴然 ， 丁浩 ， TRUCKENMUELLER F.家用分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2017（4）：206-209.

[8] 旦望云.家用太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究[J].電子制作， 2018（24）：14-15， 82.

[9] 林琳.大連地區(qū)家用光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)， 2014.

[10]顧超，崔容強(qiáng).獨(dú)立光伏系統(tǒng)最佳傾角計(jì)算新方法[J].電源技術(shù)， 2005， 29（1）：31-34.

[11]楊霞.上海地區(qū)居住建筑能耗調(diào)研分析[J].住宅科技，2016， 36（9）：58-61.