新疆伊宁巴彦岱镇太阳能独立光伏电站系统的优化设计

时间：2016-09-21     作者：鞠振河      来源：沈阳工程学院新能源研究中心，辽宁太阳能研究应用有限公司      访问量：

　　摘要:本文以国家“村村亮”LED太阳能照明工程——新疆维吾尔自治区伊宁市巴彦岱镇新村街道太阳能光伏照明示范工程的系统数据为依据，采用“四季均衡弱季最大”的太阳能电站系统优化理论和计算方法实现了按安装地点组件倾斜面辐射接收量进行优化系统配置，并根据当地高海拔气侯条件下通过PWM延寿充电的四阶段管理模式延长了铅酸蓄电池的使用寿命，控制技术采用高频正负频冲快速充电与补足充电过程的四阶段蓄电池充电管理技术，突破了蓄电池使用寿命低的技术瓶颈，利用全年累计最大亏欠量和放电深度计算蓄电池容量的方法，确定新疆伊宁巴彦岱镇新村太阳能独立电站优化设计结果。
　　关键词：光伏电站系统优化设计
　　OptimaldesignofsolarenergyindependentphotovoltaicpowerwiththetownofXinjiangyiningYanDai
　　ZhenheJu
　　NewenergysourceResearchCenterofShenyangInstituteofEngineering
　　LiaoningSolarEnergyR&DCO.,LTD.
　　Abstract:Thisstudyisonthebasisofsolarphotovoltaiclightingprojectsystemdatawiththecountries"ruralbright"LEDsolarlightingproject-thetownofXinjiangyiningYanDaiandwhichusingtheSolarpowersystemoptimizationtheoryandmethodofcalculationwiththewayof"thefourseasonsbalanceandweakseasonisthelargest",werealizetheinstallationsitecomponentsinclinedplaneradiation,whichisconfigurationoptimizationforreceivingsystem.Andaccordingtolocalhighaltitudeclimateconditions，wethroughthePWMprolonglifeforthefourphasesofchargingmanagementmode,whichhavebeenextendedtheleadacidbatteryservicelife.Thecontrollingtechnologyuseshighfrequencypositiveandnegativefrequencyrushedupfastchargingandchargingprocessthefourphasesofbatterymanagementtechnology,whichbrokethroughthelowbatteryservicelifeofthetechnicalbottleneck,themethodofannualaccumulativetotaldebtanddischargeamountmaximumdepthofbatterycapacitycalculationhavebeenusedtoconfirmthesolarenergyindependentpowerstationoptimizationdesignedresultsforthetownofXinjiangyiningYanDai.
　　Keywords:Photovoltaicpowerstationsystem;optimaldesign
　　0引言
　　新疆伊宁市是伊犁哈萨克自治州的首府，也是伊犁河谷的政治、经济、文化、交通中心。位于新疆维吾尔自治区西部，伊犁河谷中部，伊犁河北岸，距乌鲁木齐市公路里程702千米。伊宁市巴彦岱镇全年日照时数为4443小时，因地理纬度偏高，白昼时间长，日照时数可达2509小时，特别是6－8月各月日照时数可达300小时，太阳辐射全年总量为134.5千卡／平方厘米，全年总辐射量以生长季节最丰富。光能潜力：据伊犁气象台测算，伊宁市全年生理辐射量为64.6千卡／平方厘米。
　　2011年3月20日由中国城市科学研究会低碳照明研究中心组织实施的新疆维吾尔族自治区伊宁市巴彦岱镇新村太阳能光伏照明示范工程正式开工，辽宁太阳能研究应用有限公司负责2个1280W太阳能光伏发电系统及照明系统设计与安装。本项目充分解决了偏远地区城乡道路照明，同时也实现了太阳能光伏发电（太阳能路灯）在高海拔地区的应用，大大改善了当地居民的出行。标志着偏远地区城乡道路低碳照明迈进了新的领域。
　　本文利用太阳能电池组件“四季均衡弱季最大”的接收太阳能辐射量原则以及利用全年累计最大亏欠量和放电深度计算蓄电池容量的方法，确定新疆伊宁巴彦岱镇新村太阳能独立电站优化设计结果。
　　1设计原则
　　太阳能独立光伏发电系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。
　　在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。
　　采取“四季均衡弱季最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则，即根据蓄电池均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池放电深度,确定出组件和蓄电池的合理搭配容量。
　　2设计方法
　　根据各向异性的天空辐射模型，在纬度为处，倾角为的斜面上，其太阳辐射量为：

　　式中右端第1项为倾斜面上的直接辐射量，为水平面上的直接辐射量。
　　对于朝向赤道的斜面：

　　式中是太阳赤纬角，可由Cooper方程近似计算：

　　式中n为一年中的日期序号，根据《SolarEngineeringofThermalProcesses》EditedbyJohnA.DuffieandWilliamA.Beckman推荐各月所取的典型日期见表（1）[JohnA.Duffie,WilliamA.Beckman,SolarEngineeringOfThermalProcesses,1991,P.14.]。
　　式中分别为水平面和倾斜面上日出时角，由式（4）和(5)计算：

　　（1）式中右端第2项为天空散射辐射量，其中为水平面上散射辐射量。为大气层外水平辐射量，可由下式求出：

　　式中=1367W/m²为太阳常数[Thekackara,1970.]。
　　（1）式右端第3项为地面反射辐射量，实际上在总量中所占比例很小。式中H为水平面上总辐射量。为地面反射率，通常取。
　　在实际应用时，可在当地纬度的-20°~+30°范围内每隔1°分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量，然后根据前述原则，确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量。
　　（1）平均峰值日照时数
　　由太阳能电池倾斜面方阵上有辐射资料的历年逐月日平均太阳辐射量可求出全年平均日太阳辐射量，并用单位mWh/c表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数，如式（7）所示。

　　（2）确定方阵最佳电流
　　方阵应输出的最小电流为

　　式中，L为负载每天总耗电量；为蓄电池充电效率（0.80~0.90）；为方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9~0.95[StuartR.Wenham,MartinA.GreenMurielE.WattAppliedPhotovoltaics,1990,P260.]；为方阵组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，通常可取0.9~0.95。
　　由方阵面上各月中最小的太阳能总辐射量可算出各月中最小的峰值时数，则方阵应输出的最大电流为：

　　方阵的最佳电流值介于和之间，具体数值可用试验方法确定。方法是先选定一电流值，按月求出方阵的输出发电量，对蓄电池全年的荷电状态进行试验。方阵输出发电量可根据式（10）进行计算。

　　式中，Ｎ为当月天数。而各月负载耗电量为：

　　两者相减，若为正，表示该月方阵发电量大于用电量，能给蓄电池充电；若为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池贮存的电能来补充，蓄电池处于亏损状态。如果蓄电池全年荷电状态低于原定的放电深度（一般0.5），则应增加方阵输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值，则可减少方阵输出电流。当然，也可以增加或减少蓄电池容量。
　　（3）蓄电池容量的确定
　　列表算出全年各月的数值，并算出全年中连续为负值（即连续亏欠量）的累积值。如果全年只有一个连续亏欠期，它就是累积亏欠量之和。对北半球来说，由于岁末年初是冬季，在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如有几个不连续的亏欠期，即在连续两个亏欠期之间有为正的盈余量，则应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量，这样即可确定蓄电池的容量：

　　式中，DOD为放电深度，对铅酸蓄电池最大可达75%—80%。但考虑蓄电池的寿命等影响因素，一般取DOD=60—70%[http://www.cs.jmu.edu/common/projects/UNPEPP/PVCH07.doc.]为宜。
　　蓄电池容量与负载日耗电量相除，即可得到蓄电池的储备天数：

　　通常取n=4～11天即可[《太阳能学报》1995,16(4),410.]。如得出的n太大，则适当增加所取方阵的工作电流，重新进行计算。如n过小，则适当减小方阵的工作电流，直到n处于以上范围为止。
　　（4）确定方阵工作电压
　　方阵的输出工作电压应足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。因此，方阵在任何季节的工作电压须满足

　　式中，为蓄电池浮充电压；为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降；为因温度升高引起的压降。众所周知，厂商出售的太阳能电池组件所标出的标称工作电压和输出功率最大值（），都是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池的温度特性曲线可知，当温度升高时，其工作电压有较明显的下降，可用式（15）计算因温度升高而引起的压降。

　　式中，a是太阳能电池的温度系数，对单晶硅和多晶硅电池来说，a=0.005，对非晶硅电池来说，a=0.003；为太阳能电池的最高工作温度（45℃~60℃）；为太阳能电池的标称工作电压。
　　（5）确定方阵功率
　　方阵功率

　　式中，a、取值与式（13）中相同，K为考虑一些未知工作因素，而引入的安全系数，可根据电压等级，数据准确程度，运行环境等，在1.05～1.30之间选取[GroumposPP,PapageorgiouG.AnOptimalSizingMethodforStand-AlonePhotovoltaic
　　PowerSystems.SolarEnergy,1987,5,341-351.
　　]。这样，只要根据算出的蓄电池容量，太阳电池方阵的电流、电压及功率，参照厂商提供的蓄电池和太阳能电池组件性能参数，就可以选取合适的组件型号和规格了。
　　根椐新疆省伊宁市巴彦岱镇新村所在地点气象资料、太阳能资源和负载的具体情况，经过详细的技术经济比较及其蓄电池荷电状态校核后，确定太阳能电池组件和蓄电池的容量最佳配置比例（见表2）。

　　3设计依据
　　(1)新疆伊宁市巴彦岱镇新村的(1961-1990)年平均基本气候资料

　　（2）主要指标
　　▪组件采用保定英利新能源有限公司生产的多晶硅太阳能电池，设计使用寿命不小于25年，转换效率达到14%，功率损失≯10％；
　　▪蓄电池采用山东圣阳电源股份有限公司生产的管式阀控式密封铅酸蓄电池，其容量设计能满足工作地最长的连续阴雨天负载的正常供电要求，具有较长的浮充和循环寿命，具有高能量比、低自放电率以及良好的耐高低温性能(新疆地区冬季市区一般年份最低温≤-30℃，夏季极端最高温度可达39℃-41℃)。
　　▪负载每天耗电：2.346KWH（度）和2.448KWH（度）。
　　（3）计算的参数结果
　　▪太阳电池组件最佳倾角为44°。
　　▪经计算新疆伊宁地区独立电站最佳倾角为65°，平均实际日照时数1715.37小时,平均峰值日照时数(组件面上)为4.7小时；最小的日峰值日照时数为3.49小时。

　　4太阳能电站的构成及技术性能
　　1.太阳能光伏照明系统原理图(图1)。

　　2.太阳能独立光伏电站为非并网的小型独立电站，采取免维护密封铅酸蓄电池贮能。
　　3.太阳能独立光伏独立电站的系统由太阳电池组件、蓄电池组、智能控制器、高效节能LED节能灯、灯架、安装材料等组成。系统的工作原理是：在智能控制器的控制下，白天太阳电池组件向蓄电池组充电,晚上蓄电池组提供电力给直流灯负载。直流控制器能够在任何条件下（阳光充足或长期阴雨天）都能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。本控制器采用先进的无触点控制技术，具有先进的光控功能，晚上自动点亮，白天关灯，也可以定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能，特别适合光伏电源控制，并且具有多种保护功能
　　4.控制器说明
　　控制器负责监视电池的充电状态，管理充电过程包括负载的开与关，使电池能量充分利用，并延长使用寿命。在温度作用下，充电过程的发生根据IU曲线的特点。
　　保护措施：电池组：限制充电电压防止过充；关闭负载防止过放。控制器：防止电流过大、温度过高；控制器可以自动开/关负载或组件。负载：在过电压的情况下，关闭负载；系统电压的自动检测（24V/48V）。LED指示灯会显示工作过程中的所有重要情况。
　　系统通过PWM延寿充电的四阶段管理模式延长了铅酸蓄电池的使用寿命，控制技术采用高频正负频冲快速充电与补足充电过程的四阶段蓄电池充电管理技术，突破了蓄电池使用寿命低的技术瓶颈，对控制系统进行控制过程的优化研究中，每一个充电脉冲之后，紧跟着一个放电脉冲，此过程可以让电池内部的电解液获得缓冲时间，可以去除电极之气泡及延长电池寿命。图2是实现的开关电路原理图，与目前控制器唯一不同的地方就是增加一个放电的开关管子。图3是设计的理论波形。

　　采用脉冲充电与负脉冲充电相结合的充电法则，完成蓄电池快速充电之设计与要求。通过大量的实验，与其它充电法则比较，其充电时间大幅度的减少，充电过程中电池温度无明显上升，换言之有提高电池寿命之效果，在充电效率方面皆可高达80%以上。
　　5用电负荷计算（表5）

　　6技术经济比较计算
　　6.1照明时间为6小时路灯系统
　　根据当地近30年平均基本气象资料、水平面的辐射资料，根据前面公式（1）—（16）利用沈阳工程学院新能源研究中心编制的独立光伏系统设计专用软件计算出组件倾斜面上的平均日辐射数据，算出组件接收面最佳倾角，得出太阳能电池组件和蓄电池之间不同的容量组合，其中蓄电池容量是根据全年累计最大亏欠量和放电深度确定的。整个计算过程只需输入安装地的水平面逐年逐月日平均太阳能辐射数据、蓄电池放电深度及负载大小，程序将自动完成计算，根据已有数据库对组件蓄电池进行自动实际设备选型、经济分析（部分数据见表6）和蓄电池荷电状态的校核（表7），确定出太阳能电池组件和蓄电池的最佳容量组合参数。

　　6.2技术方案的确定
　　经过计算比较校核，最后确定出表8所列太阳能路灯系统参数。

　　7结论
　　此套太阳能独立光伏发电系统的最长连阴天数是计算机程序根据太阳能辐射数据自动计算得出，与基本气象数据中平均4天降水天数相吻合。
　　经过对SL1748太阳能独立光伏发电系统1-3月实际近2个月的测试观察，其结果基本满足设计要求，智能控制器能够准确地对整个系统进行控制。太阳能电池组件能够正确对蓄电池进行充电，蓄电池在经过4天的连阴天后，路灯仍然准时工作，且经测试蓄电池放电深度为49.2%，系统仍能完成第五天的照明工作。

　　参考文献：

    GordonJM.Optimalsizingofstand-alonephotovoltaicsolarpowersystems.SolarCells,
　　1987,20:295-313.
　　来自Pro.LarsBroman的课堂笔记,<<AdvancedSolarThermalEngineering>>,达拉纳大学博仑厄校园,2002秋季学期。
　　JohnA.Duffie,WilliamA.Beckman,SolarEngineeringOfThermalProcesses,1991,P.14.
　　Thekackara,1970.
　　Chapman,RN.SizingHandbookforStand-alonePhotovoltaic/StorageSystems.Sandia
　　ReportSAND87-1087VC-63(1987).
　　ActaEnergiaeSolarisSinica,P.409;whereη3isaddedtotheequationbytheauthor.
　　StuartR.Wenham,MartinA.GreenMurielE.WattAppliedPhotovoltaics,1990,P260.
　　《太阳能学报》,Vol.16,No.4Oct.1995,P.409。
　　http://www.cs.jmu.edu/common/projects/UNPEPP/PVCH07.doc.
　　《太阳能学报》1995,16(4),410.
　　http://www.newenergy.org.cn/magazine/tynxb/9901/990118.htm.
　　GroumposPP,PapageorgiouG.AnOptimalSizingMethodforStand-AlonePhotovoltaic
　　PowerSystems.SolarEnergy,1987,5,341-351.