雷鵬

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置減少二氧化碳排放的方法

雷鵬

(云南電網(wǎng)公司，昆明 650011)

介紹一種單相離網(wǎng)式交流戶用光伏發(fā)電裝置的功能、結(jié)構(gòu)，能直接與戶用負(fù)載聯(lián)接，獨(dú)立對負(fù)荷供電。

二氧化碳排放；光伏發(fā)電；離網(wǎng)式；戶用

0 前言

近年，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展[1-2]。云南高海拔的山區(qū)電力需求小、電網(wǎng)建設(shè)難度大、運(yùn)行維護(hù)成本高[3-4]。為了解決無電人口通電，減少二氧化碳排放，研究了一種離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置。

1 離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置

1.1 云南太陽能資源分析

云南平均海拔2 000 m，屬山地高原地形，大氣層密度低、陽光透過率高、日照時(shí)間長，云南約90%以上的地區(qū)年太陽輻射量為4 500～6 000兆焦/平方米·年，年日照時(shí)間為2 100～2 800小時(shí)/年，具有豐富的太陽能資源，具備運(yùn)用光伏發(fā)電的條件[5-6]。

1.2 光伏發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置由光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池和電力負(fù)載五部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

圖1 離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 居民戶用負(fù)載用電量設(shè)計(jì)

云南邊遠(yuǎn)地區(qū)每戶居民典型用電負(fù)載如表1所示。

表1 云南邊遠(yuǎn)地區(qū)每戶居民典型用電負(fù)載

根據(jù)表1，計(jì)算每戶居民用電設(shè)備總功率P如式 (1)，其中P1、P2和P3分別為照明、電視機(jī)和衛(wèi)星接收器的用電功率。

計(jì)算每戶居民用電設(shè)備日總用電量Q如式(2)，其中Q1、Q2和Q3分別為照明、電視機(jī)和衛(wèi)星接收器的日用電量。

1.2.3 光伏組件直流電壓設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光伏組件產(chǎn)品和蓄電池產(chǎn)品的類型、電氣特性和電壓分類，戶用系統(tǒng)的光伏組件直流電壓UDC設(shè)計(jì)為12 V。

1.2.4 蓄電池設(shè)計(jì)

經(jīng)分析對比傳統(tǒng)開口式鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池的電氣特性和產(chǎn)品分類，并根據(jù)光伏組件輸出直流電壓等級(jí)，選用12 V免維護(hù)閥控密封式鉛酸蓄電池作為戶用系統(tǒng)的電能存儲(chǔ)裝置。計(jì)算蓄電池的容量C如式 (3)。

式中，最長無日照天數(shù)d設(shè)計(jì)為3天，滿足在連續(xù)3個(gè)陰雨天的條件下，系統(tǒng)能正常工作；按工程經(jīng)驗(yàn)，蓄電池放電容量的修正系數(shù)F取1.2；蓄電池放電深度D取0.5；包括逆變器在內(nèi)的交流回路損耗率K取0.8[8]，UDC為光伏組件直流電壓；Q為每戶居民用電設(shè)備日總用電量。

根據(jù)式 (3)計(jì)算的蓄電池容量，并聯(lián)兩個(gè)12 V、200 A·h蓄電池作為戶用系統(tǒng)的電能存儲(chǔ)裝置。蓄電池的主要電氣參數(shù)如表2所示。

表2 蓄電池的主要電氣參數(shù)

1.2.5 光伏組件陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)云南的氣象數(shù)據(jù)，云南年平均太陽總輻射量為5 596.5兆焦/平方米·年，計(jì)算日平均峰值日照時(shí)數(shù)Tm和光伏組件陣列峰值功率Pm分別如式 (4)和式 (5)。

式中，Q為每戶居民用電設(shè)備日總用電量；F為蓄電池放電容量的修正系數(shù)；K為逆變器在內(nèi)的交流回路損耗率。

根據(jù)式 (5)計(jì)算的光伏組件陣列峰值功率，并聯(lián)兩塊12 V、85瓦多晶硅標(biāo)準(zhǔn)光伏組件組建戶用系統(tǒng)光伏陣列。光伏組件的主要電氣參數(shù)如表3所示。

表3 光伏組件的主要電氣參數(shù)

1.2.6 控制-逆變一體機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)表3所示光伏組件的主要電氣參數(shù)，計(jì)算光伏組件陣列的最大短路電流ISCM如式 (6)。

式中，Np為光伏組件并聯(lián)數(shù)；ISC為光伏組件的短路電流；1.25為安全系數(shù)。計(jì)算控制器最大負(fù)載電流I如式 (7)。

式中，1.25為安全系數(shù)；P為每戶居民用電設(shè)備總功率；K為逆變器在內(nèi)的交流回路損耗率；U為逆變器輸出電壓，取220 V。

計(jì)算控逆一體機(jī)的輸出功率PCI如式 (8)。

式中，P為每戶居民用電設(shè)備總功率；1.5為安全系數(shù)。

根據(jù)式 (8)計(jì)算的控逆一體機(jī)輸出功率，考慮控逆一體機(jī)的功率損耗，設(shè)計(jì)控逆一體機(jī)的額定功率為300V·A?？啬嬉惑w機(jī)的主要電氣參數(shù)如表4所示。

表4 控逆一體機(jī)的主要電氣參數(shù)

控逆一體機(jī)具有輸出過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸入接反保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)、輸入過壓保護(hù)、蓄電池過放保護(hù)、蓄電池過壓保護(hù)、蓄電池電壓充電保護(hù)、蓄電池開路保護(hù)、夜間防反充電保護(hù)等保護(hù)功能。

1.2.7 光伏組件支架和室內(nèi)控制柜設(shè)計(jì)

室外光伏組件支架由熱軋無縫鋼管、表面鍍鋅角鋼和螺栓組成，根據(jù)選用的85瓦光伏組件的外形尺寸，室外光伏組件支架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 室外光伏組件支架結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)束語

文中研究的離網(wǎng)式戶用光伏發(fā)電裝置已廣泛運(yùn)用于云南邊遠(yuǎn)地區(qū)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。在太陽能資源豐富，具備光伏發(fā)電運(yùn)用條件的地區(qū)，該光伏發(fā)電裝置的成功運(yùn)用，將為解決無電人口通電、減少二氧化碳排放提供經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)施途徑。

[1] A.Luque，S.Hegedus.Handbook of photovoltaic science and engineering[M].USA：Willy press，2002.

[2] Chiang，S.J.，Chang，K.T.，Yen，C.Y. Residential photovoltaic energy storage system[J]，IEEE transactions on industrial electronics，1998，45 (3)：385-394.

[3] 云南省人民政府研究室，等.云南經(jīng)濟(jì)年鑒2013 [M].云南：云南人民出版社，2013.

[4] 云南省統(tǒng)計(jì)局.云南統(tǒng)計(jì)年鑒2013[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2013.

[5] 林文賢，呂恩榮.云南省太陽能輻射資源研究——總輻射 [J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，1990，Z1，27-38.

[6] 《云南電力年鑒》編輯部.云南電力年鑒2013 [M].云南：云南人民出版社，2013.

[7] [日]太陽光發(fā)電協(xié)會(huì).太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工 [M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[8] 何道清，等.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

Research on CO2Emissions Reduction with Application of Off-grid Household Photovoltaic Generating Appliance

LEI Peng
(Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650011)

one kind of single-phase off-grid household photovoltaic(PV)generating appliance was researched in this paper.An off-grid household photovoltaic generating appliance is a device that is connected to home electrical loads directly and provides electric power supply for family.

CO2emissions；PV；off-grid；household

TM62

B

1006-7345(2014)06-0094-03

2014-10-08

雷鵬 (1978)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)公司，主要從事電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償方面的研究 (e-mail)13708715098＠126.com。