太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓課程教學改革與實踐

黃越 白喜來 王欣 石征錦

摘要 文章以丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計為例，就應用SkechUP、PVsyst軟件開展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓進行了探討，在光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓中應用上述軟件能夠激發(fā)學生的學習熱情，提高設(shè)計效率，設(shè)計過程更接近于工作實際，為學生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電技術(shù)；SketchUp；PVsyst

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.044

我國電源結(jié)構(gòu)中新能源主力是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電，從目前的應用規(guī)模、發(fā)展速度和發(fā)展前景來看，太陽能光伏發(fā)電可能是未來發(fā)展最快、最有發(fā)展前途的一種新能源利用技術(shù)[1]。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國光伏行業(yè)在高級管理、高端研發(fā)、工程技術(shù)、信息化和復合型人才方面的需求將持續(xù)增加[2]。然而，高校在太陽能光伏發(fā)電實驗仿真方面，多以理論分析為主。例如借助Matlab/Simulink軟件，搭建實驗模型[3]，但這樣的設(shè)計結(jié)果呈現(xiàn)不直觀，滿足不了行業(yè)設(shè)計需求，也不適合面向產(chǎn)業(yè)需求的人才培養(yǎng)要求。為此，本文以丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計為例，對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓提出教學改革，提出一種應用SkechUP與PVsyst軟件相結(jié)合的計算機輔助設(shè)計光伏發(fā)電系統(tǒng)的方法，讓設(shè)計項目表達更加直觀、具體，使得工程設(shè)計更貼近行業(yè)實際應用。研究表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓中應用SkechUP、PVsyst軟件，能夠激發(fā)學生的學習熱情，提高設(shè)計效率，設(shè)計過程更接近于工作實際，在為學生走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。

1基礎(chǔ)實例訓練教學設(shè)計——地面光伏電站設(shè)計

基礎(chǔ)實例訓練部分安排設(shè)計了四個實驗。分別為：PVSYST基本認識及軟件安裝、地理位置選擇和氣候數(shù)據(jù)建立與修正、PVSYST光伏電站模擬基本操作方法、PVSYST光伏電站詳細設(shè)計方法。每個實驗項目還設(shè)計了思考題。例如對比哈爾濱、甘肅武威兩地光伏電站設(shè)計，分析相同安裝方式、相同組件方陣容量、逆變器時，發(fā)電量的區(qū)別（注意兩地都要采用最佳傾斜角設(shè)置）。整理文檔，說明設(shè)計的步驟和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計要求：建立哈爾濱和武威兩地氣候數(shù)據(jù)。分別建立兩個相同的90kW（范圍+5%）最佳固定傾角的地面光伏電站，逆變器數(shù)量8―10個左右。

2提升階段——基于SketchUP與PVsyst的丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計

PVsyst是一款專業(yè)的光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件，在基礎(chǔ)研究與應用開發(fā)等方面均可使用，在國內(nèi)外得到了廣泛的應用[4]。在教學設(shè)計上，綜合實訓前期，學生根據(jù)實訓指導教程練習一些基礎(chǔ)案例，通過對基礎(chǔ)案例的練習迅速熟悉軟件的應用，并將理論課所學的內(nèi)容進行實踐。綜合實訓后期為提升階段，加入基于SkechUP與PVsyst的三維建模和近場陰影仿真。三維建模設(shè)計仿真環(huán)節(jié)，讓設(shè)計更富有獨創(chuàng)性、創(chuàng)新性，且與工程實際更貼近，增強了設(shè)計方案的可讀性。

本文結(jié)合太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓基礎(chǔ)案例練習及學生設(shè)計的丹東市工廠屋頂并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)設(shè)計實例討論SketchUP與PVsyst軟件在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓課程中的應用與實踐。

2.1工程概況

工程項目位于遼寧省丹東市臨港工業(yè)園區(qū)中某工廠屋頂。廠內(nèi)有廠房兩座，整個廠區(qū)構(gòu)成類似兩個L的形狀，工廠周圍較為開闊，僅有3根電線桿影響光伏板采光，北側(cè)有一員工食堂，計劃在兩個廠房屋頂鋪設(shè)光伏方陣，員工食堂屋頂可留作以后開發(fā)。該地位于北緯40.13°，年最高氣溫為34℃，歷史最低氣溫曾經(jīng)達到-23℃。屬于太陽能資源分布中等地區(qū)，具備太陽能開發(fā)利用條件，可利用廠房屋頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。采用自發(fā)自用，余量上網(wǎng)模式。通過380V低壓并網(wǎng)，并網(wǎng)點設(shè)于箱式變電站低壓端光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)配電柜內(nèi)。

2.2基于SkechUP的實際安裝場地情況3D建模仿真

PVsyst軟件具有三維建模和近場陰影仿真功能，但是PVsyst軟件三維建模功能一般，支持導入基于SketchUP的模型文件（3DS格式）。SketchUp是一款三維繪圖軟件，該軟件易于操作，3D建模效果好。

通過SkechUP建模得到的工廠模型與工程現(xiàn)場實際非常貼近，光伏組件的布設(shè)可在SkechUP環(huán)境中完成，也可以在PVsyst軟件中布設(shè)完成。由于SkechUP軟件沒有光伏系統(tǒng)相關(guān)組件，可以嘗試添加太陽能組件插件skelion v5.2.6。插件安裝成功即可在SkechUP仿真環(huán)境中布設(shè)光伏組件。本次設(shè)計采用的方案是將模型文件導入PVsyst軟件后再布設(shè)光伏組件。

2.3系統(tǒng)構(gòu)成概述

該項目設(shè)計容量為322kW，整個系統(tǒng)共需要920個350Wp的單晶硅組件。分成2個方陣，分布在兩個廠房屋頂。設(shè)計為每20個光伏組件構(gòu)成一個光伏組串，兩個屋頂各安裝光伏組件460塊，各構(gòu)成23組光伏串，按照當?shù)刈罴褍A角設(shè)計光伏方陣角度。系統(tǒng)設(shè)計使用4臺額定功率70kW的華為SUN2000-70KTL-INM03相智能型光伏逆變器，每臺帶6個MPPT，可有效減小組串不匹配。逆變器將光伏組件所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成380V的三相交流電，通過交流匯流箱、并網(wǎng)配電柜后并入箱式配電柜的380V三相交流電網(wǎng)中。

2.4系統(tǒng)連接

根據(jù)上面的組件布局進行逆變器mppt的分配，共4個逆變器，每個逆變器帶有6個mppt輸入。串連組件數(shù)為20，并聯(lián)組串數(shù)為46個。采用每個mppt接入兩個組串，剩余的一個mppt備用。

2.5 PVsyst仿真

2.5.1朝向參數(shù)選取

丹東處于北回歸線以北，緯度為40.13°。在PVsyst軟件中，組件安裝類型采用固定朝向安裝方式。當采光面傾角為38°，系統(tǒng)的方位角設(shè)定為0°時，輻射總量損失最小。

2.5.2系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選取

按照設(shè)計方案廠房屋頂實際可用于安裝組件的面積為1680m2，PVsyst可根據(jù)預設(shè)面積估算系統(tǒng)的容量配置，在“預設(shè)工具”旁輸入面積1680m2，在數(shù)據(jù)庫中選擇光伏組件，選擇生產(chǎn)廠家“l(fā)ongi Solar”標稱功率為350Wp型，“預設(shè)工具”會給出理論上的最大系統(tǒng)容量的參考值322.7Wp。在“選擇逆變器型號”中選擇逆變器型號，本設(shè)計選擇了4臺70kW的逆變器配置?！瓣嚵性O(shè)計”中選擇串聯(lián)組件數(shù)20，并聯(lián)組串數(shù)46。經(jīng)過上述步驟，完成了新建項目必須要設(shè)置的三部分內(nèi)容，包括“地理位置和氣象數(shù)據(jù)”“組件安裝方式”和“系統(tǒng)設(shè)置”，然后點擊“確定”確認完成。接下來設(shè)置近場遮擋和3D陰影仿真、系統(tǒng)損耗等。

2.5.3近場遮擋和3D陰影仿真

①模型導入及陰影分析。將SkechUP中已經(jīng)設(shè)計好的模型導入到PVsyst近處遮擋中建模/透視圖部分即可。導入后，再按照系統(tǒng)設(shè)計要求布設(shè)光伏電池板。最終完成后的模型如圖2所示。

三維場景中包含了陰影遮擋物和有效的輻射接收區(qū)域，廠房一、廠房二南側(cè)的高壓輸電線路塔和電線桿對太陽能光伏板造成了局部遮擋。

②組件布局。按照設(shè)計方案排布組件，為方便接線，將同一陣列同一逆變器的組串劃分到同一區(qū)域，以減少線路帶來的損耗和成本，同時也可減少施工難度。

③損失。每個項目有自身的特點，存在著不同的損失參數(shù)，可以在“損失”進行細化設(shè)置。系統(tǒng)損耗主要包括熱損失、歐姆損耗、組件質(zhì)量、不匹配、污穢損失、LAM損、廠用電、組件衰減、不可利用率和光譜校正等。通過PVsyst軟件計算可得到本系統(tǒng)的損失為：3.19%遠方遮擋、10.82%的近處遮擋輻照度損失，4.6%的陣列損失及1.34%的逆變器轉(zhuǎn)換過程中造成的損失。

2.6仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)所有參數(shù)設(shè)置完畢后，在項目窗口點擊運行仿真，并輸出仿真報告，該光伏發(fā)電系統(tǒng)每年能夠產(chǎn)生電量372MWh，系統(tǒng)效率為79.6%。由仿真報告可得出系統(tǒng)在一年中的發(fā)電能力，年實際工廠用電量分別由陣列輸出和電網(wǎng)提供。628.25MWh的工廠用電量經(jīng)過工廠屋頂最大利用面積的光伏太陽發(fā)電后，只需由電網(wǎng)提供277.51MWh的電量。其中并網(wǎng)電量為21.13MWh，3、4、5三個月為系統(tǒng)發(fā)電能力最高的時間段，此時正值春季，丹東地區(qū)溫度通常不超過20℃，溫度適宜，同時伴有“春旱”，降水較少，天氣晴朗，發(fā)電量較高。6、7、8、9四個月丹東地區(qū)溫度普遍較高，一般在25℃～30℃左右，溫度偏高，太陽能光伏板光電轉(zhuǎn)換能力下降，逆變器散熱條件也變差，同時7、8、9、10月正值雨季，多陰天，因此發(fā)電能力較3、4、5月有所下降。1、2、11、12這四個月正值冬季，由于北方溫度低，需要供暖，在這四個月天氣多霧霾，同時冬季下雪，積雪覆蓋太陽能板，也對太陽能板發(fā)電有明顯影響，因此這四個月發(fā)電量明顯偏低。

3課程設(shè)計應用效果

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)行業(yè)越來越離不開計算機工程模擬。在這里將SkechUP軟件與PVsyst軟件應用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合實訓是實踐教學的一種有益嘗試。將工程設(shè)計項目首選地址確定為家鄉(xiāng)，可以激發(fā)學生服務(wù)家鄉(xiāng)新能源建設(shè)的熱情，學以致用，也實現(xiàn)了面向產(chǎn)業(yè)需求培養(yǎng)電氣工程及其自動化專業(yè)學生的復合型、個性化實踐能力的培養(yǎng)，該教學方案的實施取得了較好的教學效果，為學生走向工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

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[3]孫章，陳湘，閻鐵生，等.光伏發(fā)電技術(shù)實驗教學改革[J].科技視界， 2020（16）：45-47.

[4]王林青，王軍軍.PVSYST軟件在光伏發(fā)電技術(shù)課程設(shè)計中的應用[J].科教論壇，2019（8）：46-47.