摘 要：針對目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展情況，提出了小型分布式平面屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，介紹了控制器、逆變器的選擇依據(jù)。依據(jù)不同地理氣候條件和具體用電情況闡述了蓄電池組、光伏方陣容量計(jì)算公式，光伏方陣的安裝角度和陣列間距的計(jì)算公式。通過上述公式輔以設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：分布式；光伏發(fā)電；屋頂

太陽能是綠色清潔能源，太陽能光伏發(fā)電把光能直接轉(zhuǎn)換為電能，既能滿足居民的日常用電需求，又減少了常規(guī)化石能源的消耗，對節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境意義重大。分布式光伏發(fā)電是指位于用戶附近，所發(fā)電能由用戶自用和就地利用，以10kv及以下電壓等級接入公共電網(wǎng)，且單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不超過6MW的光伏發(fā)電項(xiàng)目[1]。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是白天有太陽光照時(shí)通過光伏方陣發(fā)電，所發(fā)電能經(jīng)由控制器向蓄電池組充電，蓄電池組充滿電后將盈余電能傳送至公共電網(wǎng)，晚上用電時(shí)優(yōu)先從蓄電池組取能；如晚上蓄電池組儲(chǔ)能不足以支撐負(fù)荷時(shí)則切換至公共電網(wǎng)，從公共電網(wǎng)中取電。光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)之間電能的進(jìn)出由電能計(jì)量表進(jìn)行計(jì)量，電費(fèi)由相關(guān)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、具有雙向換流的控制器、并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能蓄電池和電能計(jì)量表等組成。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定

南昌地區(qū)普通家庭負(fù)載一般包括：6個(gè)20W電燈，每日工作4小時(shí)；1臺(tái)120W電視機(jī)，每日工作5小時(shí)；1臺(tái)100W的電腦，每日工作4小時(shí)；1臺(tái)200W的電冰箱，日耗電量0.8kW·h；1臺(tái)300W的洗衣機(jī)，每日工作0.5小時(shí)；2臺(tái)制冷功率為1600W的空調(diào)，日耗電量每臺(tái)2kW·h；考慮到手機(jī)充電器等小型電器，增加預(yù)期用電負(fù)荷5%。

通過上述分析，家庭用電負(fù)荷約為4.2kW，日均用電量約為6.8kW·h?？紤]到向公共電網(wǎng)買電賣電的價(jià)格差異和用電設(shè)備的使用同時(shí)系數(shù)[2]，本文將以負(fù)荷約為3kW，日均用電量約為5kW·h作為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 逆變器的選型配置

逆變器的功能主要是將光伏方陣所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的交流電。由于負(fù)載的用電總功率大于逆變器總功率的80%時(shí)，逆變器將會(huì)發(fā)熱過度，進(jìn)而縮短逆變器的使用壽命[3]，因此配置的逆變器功率應(yīng)大于3.75kW，選用合肥陽光電源有限公司的型號為SG4KTL，容量為4kW的逆變器，其具體技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 SG4KTL逆變器技術(shù)參數(shù)

3 控制器的選型配置

用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器既可以控制蓄電池充放電，又可以控制與公共電網(wǎng)的接駁。為了便于單體蓄電池的串并聯(lián)，考慮蓄電池直流側(cè)電壓設(shè)計(jì)為48V，選用南京特瑪亨能源有限公司的L系列電壓等級為TM48V的光伏控制器，其具體參數(shù)如表2。

表2 控制器技術(shù)參數(shù)

4 蓄電池的設(shè)計(jì)與選型

考慮到太陽能發(fā)電在白天有光照時(shí)進(jìn)行，居民用電高峰又集中于晚上，需要配備相應(yīng)容量的蓄電池組。蓄電池組容量的計(jì)算公式為：

C=（L×D×TO）/（DOD×Ka） （1）

其中L是負(fù)載日均耗電量，單位為kW·h；D是儲(chǔ)能天數(shù)，1d；TO為溫度修正系數(shù)，本文涉及的最低溫度不低于-10℃，取1.1；DOD為蓄電池放電深度，采用鉛酸蓄電池，一般取0.75；Ka為包括逆變器等交流回路電力傳輸損耗，取0.9。代入數(shù)據(jù)計(jì)算出蓄電池組容量為8.15kW·h。

一般選用標(biāo)稱電壓為12V單體蓄電池串聯(lián)得到蓄電池側(cè)電壓48V，則蓄電池安時(shí)數(shù)為170A·h，蓄電池組串聯(lián)數(shù)為4；選用標(biāo)稱容量為180A·h的蓄電池并聯(lián)得到蓄電池的總?cè)萘浚瑒t蓄電池組的并聯(lián)數(shù)為170/180=0.94，取整數(shù)1，所以蓄電池組為4塊全部串聯(lián)。選用廣州志成冠軍集團(tuán)有限公司的型號為NP180-12的閥控式鉛酸免維修蓄電池，其單體蓄電池參數(shù)如表3。

表3 蓄電池技術(shù)參數(shù)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)能不能滿足用電負(fù)載時(shí)，可以從公共電網(wǎng)獲取市電。

5 光伏方陣的設(shè)計(jì)與選型

組成光伏方陣的光伏組件主要有單晶硅組件、多晶硅組件和非晶硅組件等，晶體硅光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率較高，性能穩(wěn)定，后期擴(kuò)容方便，是光伏市場的主流。多晶硅性價(jià)比高，因此選用常州天合能光有限公司型號為TSM-PC05的多晶硅光伏組件，其具體參數(shù)如表4。

表4 TSM-PC05光伏組件技術(shù)參數(shù)

5.1 光伏方陣串并聯(lián)設(shè)計(jì)

因單個(gè)光伏組件電壓和功率有限，必須串并聯(lián)才能滿足系統(tǒng)電壓和功率的需要。串聯(lián)時(shí)最高工作電壓不能低于逆變器最大功率點(diǎn)的最小電壓，否則會(huì)出現(xiàn)逆變器功率失真；最低溫時(shí)組件開路電壓不能低于逆變器的最大輸入電壓，否則可能會(huì)引起逆變器損壞[4]。

光伏組件的串聯(lián)數(shù)NS可由下式計(jì)算[5]：

（2）

（3）

式中Vdcmax為逆變器允許的最大輸入直流電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmpptmin為逆變器MPPT處的最小電壓；Vmpptmax為逆變器MPPT處的最大電壓；KV為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；KV'為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，本文取-10℃；t'為光伏組件工作條件下的極限高溫，本文取50℃。

根據(jù)逆變器、光伏組件和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，由式（2）、式（3）可確定組件的串聯(lián)數(shù)為4.7≤NS≤13.3，選擇7片組件串聯(lián)，每片組件功率245W，每串組件功率1715W。并聯(lián)支路數(shù)Np=3000/1715=1.75，取2并。光伏方陣組件總數(shù)為7×2=14片，總功率為245×14=3430W，小于逆變器的最大輸入功率4300W，所以此光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為3430W。

5.2 光伏方陣安裝角度

為了獲得最大發(fā)電效率，可以安裝逐日跟蹤系統(tǒng)，讓光伏方陣始終處于太陽光直射下，但對于小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)來說成本很高，所以采用固定支架式安裝。本文南昌市安裝地點(diǎn)為緯度為28.4°，最佳傾斜角Q頃為28.4°+5°=33.4°。實(shí)際安裝過程中，在不影響光伏方陣發(fā)電效率，可以兼顧安裝的方便性，適當(dāng)調(diào)整傾斜角。

5.3 光伏方陣陣列間距

在平面屋頂進(jìn)行光伏方陣的安裝時(shí)，為了避免前后組件陰影遮擋而引起熱斑效應(yīng)，一定要選擇合適的陣列間距。先要得到太陽高度角α和方位角β的相關(guān)數(shù)值，計(jì)算公式為：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω（4）

sinβ=cosδsinω/cosα（5）

式中，φ為緯度，δ為太陽赤緯，取冬至日-23.5°，ω為時(shí)角，取9：00時(shí)角45°?？梢运愕胻anα=0.4119、cosβ=0.7127，代入下式：

D=LcosβsinQ/tanα（6）

式中D為陣列間距，L為組件長度，可以算出D=0.823L。實(shí)際布置時(shí)可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況調(diào)整陣列間距，在滿足最佳安裝角度和陣列間距的前提下，充分利用現(xiàn)有屋頂面積資源。

方陣安裝布置時(shí)還要考慮屋面本身的承重、防水、抗風(fēng)、防雷接地等問題，可以采用不銹鋼支架將所有組件連接為一個(gè)整體，固定在屋面承重梁上，也可以在屋面澆注水泥基礎(chǔ)，將支架固定在水泥基礎(chǔ)上[6]。

6 結(jié)束語

本文對小型分布式平面屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏方陣、蓄電池組、控制器、逆變器等進(jìn)行了選型配置。依據(jù)不同地理氣候條件和具體安裝施工情況選擇了光伏方陣的安裝角度和陣列間距。通過上述公式輔以設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]國家電網(wǎng)辦〔2012〕1560號

[2]郝曉曉.住宅小區(qū)用電負(fù)荷及配變?nèi)萘康臏y算[J].華北電力技術(shù)，2011，（8）16-18.

[3]曹瑩.家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2011，28（1）115-117.

[4]李寧峰，于國才.屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇電機(jī)工程，2012，（3）43-45.

[5]楊洪興，周偉.太陽能建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[6]李鐘實(shí).太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

作者簡介：肖友鵬，工作單位：江西科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，學(xué)歷：碩士，職稱：助教，研究方向：光伏材料與器件。