基于PVsyst的户用独立光伏发电系统优化设计

肖友鹏

(江西科技学院机械工程学院，江西南昌330098)

基于PVsyst的户用独立光伏发电系统优化设计

肖友鹏

(江西科技学院机械工程学院，江西南昌330098)

基于PVsyst软件优化设计户用独立光伏发电系统，模拟系统运行性能。系统能量利用率为69.2%，用户需求满足率为94.3%，设计的独立光伏发电系统整体性能表现良好。为了提高系统设计的可靠性、效率、精度，工程技术人员应该利用PVsyst软件和其他模拟软件作为光伏系统设计和优化的辅助工具。

光伏发电；PVsyst；优化设计

可再生能源是解决环境污染、臭氧层破坏、温室气体排放、能源需求紧张等问题的必由之路[1]，可再生能源包括了太阳能、风能、生物质能等。利用可再生能源发电特别是太阳能光伏发电，能够为人们提供能源的同时给生活带来便利。世界范围内电力供应的不足和低成本电力需求正驱动着太阳能光伏发电的发展。利用太阳能光伏发电较为便利，可以为边远农村地区的医疗、教育、通信、照明、水利和农业提供电力，近年来还发展了光伏制冷技术，出现了许多成功应用案例。

太阳能光伏发电系统的设计和安装人员使用较为简单的工具对系统的规模进行设计，而科研人员和工程师使用更加精密的模拟仿真工具进行优化。仿真优化软件应该具备预先可行性分析、系统设计、优化等功能，进一步地为系统配置所输入和输出的信息能够调整项目进程[2]。PVsyst是日内瓦大学开发的一个软件包，已经成为模拟光伏发电系统性能的美国工业标准。

PVsyst软件可以对独立、并网和水泵光伏系统进行设计、优化和仿真，可以精确分析和评价不同方案及其结果，用以获得最优的技术和经济方案，并且比较特定光伏项目不同技术方案的性能表现。本文涉及3 kW户用独立光伏发电系统的设计，优化太阳能光伏方阵和蓄电池的容量，为家庭提供每日所需的电力，并且用PVsyst工具模拟系统的设计和运行性能，提出技术性分析方法。

1 系统设计参数

南昌位于东经116°，北纬28°，海拔22m，查阅美国国家航空航天局(NASA)数据库获取气象数据如表1所示。

对于独立光伏发电系统，采用固定式安装，为满足冬季(1月～3月)的用电需求，选取冬季发电量最优。光伏方阵朝向正南布置，倾斜角为41°，太阳能辐射的转换因子(FT)即相对透射率为1.23，如图1所示。

南昌地区典型家庭负载包括电灯、电视机、洗衣机、冰箱和空调，每天负载数据如表2所示，同时假设负载在一年中每天用电情况相同，从表2可计算出家庭负载功率为3 kW，日均用电量QL约5.6 kWh/d。

图1 光伏方阵布置方位角和倾斜角

2 系统组成

独立光伏发电系统的组成单元包括了光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器和负载。在独立光伏发电系统中，太阳能光伏方阵将太阳能转换为DC电，带有MPPT功能的控制器保证蓄电池不过充电和过放电，电能可以储存在蓄电池中以备夜晚和阴雨天使用，逆变器将DC电转换为AC电，供日常AC负载使用。

光伏方阵由10块组件全部并联而成，选用的是英利能源公司的型号为YL210(156)的多晶硅太阳能光伏组件，具体参数如表3所示。系统装机容量为2.10 kWp，所有组件总面积约为17.0m2。

太阳电池板安装时需要留有一定的间距，间距确定的原则是冬至日的9：00-15：00不应被遮挡。两个太阳电池板之间的最小间距可由式(1)、式(2)、式(3)[3]求得

式中：h为太阳高度角；ψ为太阳方位角；φ为南昌地理纬度；δ为太阳赤纬，冬至日为－23.5°；ω为太阳时角，取9：00时角45°，考虑南昌与北京的经度差别，修正为41°；θ为太阳电池板的倾斜角即41°；L为太阳电池板的长度即1 650mm，计算得间距D/L=1.048，即D=1 729mm，经PVsyst验证可行。

考虑到光照强度和温度的影响，光伏组件的性能表现如图2所示。

图2 YL210（156）光伏组件不同光照强度和温度下I-V曲线

随着光照强度的增大，光伏组件的开路电压缓慢升高，这说明填充因子FF也在升高，光伏组件的短路电流Isc逐渐升高，短路电流是最大的光生电流，随着光照强度即光子通量Φ(λ)的升高，由，可知光生电流Iph逐渐升高，由于最大功率Pm=IscVocFF，光照强度的升高使得Isc、Voc、FF都有不同程度的增加，进而使得Pm增加。

短路电流Isc与温度之间的关联性并不是很大，随着温度的上升Isc略有增加，这是因为半导体禁带宽度随温度的上升而减小使得光吸收随之增加的缘故，然而这是一个比较微弱的影响。对硅太阳电池而言，开路电压与温度之间的依赖关系可近似表示为[5]：

温度的上升主要影响开路电压Voc和填充因子FF，两者都随温度上升而减小，从而导致了输出功率的下降。随着温度的上升半导体的禁带宽度Eg变小，本征载流子浓度ni增加，暗饱和电流I0增大，导致开路电压的下降。对于硅太阳电池而言，开路电压与温度之间的依赖关系可近似表示为[6]：

因此光伏组件的最大功率点不是固定不动的，光照强度增大，最大功率增大，温度升高，最大功率减小，因此需要进行最大功率点跟踪(MPPT)。

选用Electrona公司型号为3Q14-Strating的铅酸蓄电池2串5并，蓄电池组电压为24 V，容量为1 095 Ah，具体参数如表4所示。

3 仿真结果

表5结果显示水平面上全年太阳能总辐射为1 321.1 kWh/m2，这是输入到软件的值；因为入射角调整和阴影效应引起光学损耗，有效太阳能总辐射为1 284.0 kWh/m2，比水平面上低31.7 kWh/m2。系统全年发电量为2 221.3 kWh，系统未利用发电量为164.65 kWh。用户可利用电量为1 927.6 kWh，负载所需电量为2 044.0 kWh，失电量为116.42 kWh。

光伏发电系统仿真详细损耗如图3所示，系统每年由于温度、太阳能辐射量、组件自身质量等因素引起年发电量能量损失较大，其中由太阳辐射弱光损耗为6.1%，由温度引起的损耗为8.2%，由光伏组件自身质量引起的损耗为1.3%，组件之间失配引起的损耗为1.8%，线路损耗为0.8%。

图3光伏发电系统一整年损失示意图

图4 为日均每kWp发电量示意图，其中日均每kWp未使用的、潜在可利用的光伏方阵发电量Lu为0.21 kWh，这是蓄电池处于充满状态所致；日均每kWp光伏方阵损耗Lc为0.74 kWh，包括温度、线缆、组件质量、组件失配、阴影、灰尘等引起的损耗；日均每kWp系统损耗Ls为0.17 kWh，包括蓄电池无效损耗和逆变器损耗；日均每kWp系统发电量Y f为2.51 kWh。

系统能量利用率(PR)和用户需求满足率(SF)如图5所示，图5中Yr(Yield)是没有考虑任何损耗、由厂家在标准测试条件下确定的理想方阵发电量。PR的计算方法为Y f/Yr，计算结果为69.2%，通常PR值在60%～80%之间[6]，这表明在分析期内还是有30.8%的太阳能由于线路损耗、热损耗、组件和逆变器效率因素、组件缺陷等因素没有转换为可利用的电能。SF为94.3%，其计算方法为(EUsed)/(E Load)，也就是光伏发电系统所发电量能满足用户94.3%的用电需求，系统性能良好。

图4 日均归一化发电量(每kWp)

图5 系统利用率和用户需求满足率

4 结论与建议

以南昌地区为例，基于PVsyst软件优化设计用户独立光伏发电系统，系统能量利用率为69.2%，用户需求满足率为94.3%，系统整体性能表现良好。太阳能是绿色环保的可再生能源，利用光伏发电技术将太阳能转换为电能，既能满足用户用电需求，又不消耗化石能源，也不排放二氧化碳和污染物，有利于节约化石能源和保护自然生态环境。安装于住宅和商业建筑上的独立光伏发电系统一般来说都是小型的光伏系统，自发自用，在不久的将来会成为电力供应的重要来源，政府政策应该致力于激励个人和投资者对太阳能光伏发电技术的投资。为了提高系统设计的可靠性、效率和精度，工程技术人员应该利用PVsyst软件和其他模拟软件作为光伏系统设计和优化的辅助工具。

[1]ZENG M，LIU X M，LIN，etal.Overall review of renewable energy tariff policy in China：evolution，implementation，problems and countermeasures[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013(25)：260-271.

[2]IRWANTO M，IRWAN Y M，SAFWATII，etal.Analysis Simulation of the Photovoltaic OutputPerformance[C]//2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference，Langkaw i，The Jewelof Kedah：PEOCO2014，2014：4-25.

[3]BOUZGUENDA M，OMAIR A A L，NAEEM A A L，etal.Design of an off-grid 2 kW solar PV system[C]//2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies，Morocco：2014NICEVRE，2014：1-6.

[4]MARKVART T，CASTA譙ERB L.Chapter IA-1-Principles of Solar Cell Operation in Solar CellsMaterials，Manufacture and Operation(Second Edition)[M].New York：Academic Press，2012：3-25.

[5]GREENM A.太阳电池：工作原理、技术和系统应用[M].狄大卫，译.上海：上海交通大学出版社，2010.

[6]PHOTOVOLTAIC G.Solar Energy Generation[M].Berlin：Sprin ger-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH&Co K，2005.

Optimaldesign of stand alone photovoltaic powergeneration system based on PVsyst

XIAO You-peng
(College ofMechanical Engineering，JiangxiUniversity ofTechnology，Nanchang Jiangxi330098，China)

A stone-alone photovoltaic power generation system was designed and the system operation performance was simulated based on PVsystsoftware.The results show that the performance ratio is 69.2%and the solar fraction is 94.3%;the overall performance of the system is excellent.In order to im prove the reliability，efficiency and accuracy of the design，engineer and technologist should use PVsyst software and other simulation software as the supplementary tool for the design and optim ization ofa photovoltaic system.

photovoltaic power generation;PVsyst;optim ization design

TM914

A

1002-087X(2016)07-1454-04

2015-12-03

江西科技学院2015年度校级自然科学研究项目(ZR15YB12)

肖友鹏(1979—)，男，江西省人，讲师，博士生，主要研究方向为光伏材料与器件。