新疆獨立光伏電站的設(shè)計方法
張陽
摘要：文章根據(jù)我國國情，論述我國目前能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合新疆本地的特點，筆者在應(yīng)用實踐中，因地制宜的提出了新疆獨立光伏電站的設(shè)計方法。 電力論文,電力論文發(fā)表,電力職稱論文,論文網(wǎng)
關(guān)鍵詞：新疆獨立光伏電站 設(shè)計 方法
近二十年來，隨著我國工農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展及人民生活對能源的迫切需求造成了能源危機。據(jù)統(tǒng)計,我國可采儲量的化石能源僅為:原煤114年,原油20年,天然氣50年。地球上超過50億年積累的能源,或許在幾十至上百年間將被耗盡,能源危機正引起全球關(guān)注。燃燒化石能源釋放的大量二氧化碳所造成的環(huán)境污染和溫室效應(yīng),或許不等這些能源耗光之前,地球環(huán)境就已被破壞得讓人類無法居住了。因此,大力發(fā)展可再生能源,已成為人類可持續(xù)發(fā)展和生存延續(xù)的首要問題。尋求化石燃料的替代能源,已經(jīng)成為我國乃至世界能源戰(zhàn)略安全的一個重大問題。而太陽能是一種取之不盡、用之不竭的自然能源,地球表層99.8%的能量都來源于太陽。
自2000年以來，世界上越來越多的地區(qū)加大了對太陽能研究和應(yīng)用的投入，我國自2005年以來，政府和社會投入到光伏產(chǎn)業(yè)鏈的資金已高達(dá)2萬億人民幣，我國光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能在全球的份額已接近40%左右。今年來我國政府推進(jìn)新能源應(yīng)用的力度也越來越大，2009年3月23日國家財政部和建設(shè)部聯(lián)合發(fā)文對太陽能光電建筑應(yīng)用進(jìn)行財政補助，這無疑會使我國的光伏產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用得到更快的發(fā)展。
近幾年新疆地區(qū)的光伏應(yīng)用，主要是在邊遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行的獨立光伏電源系統(tǒng)的示范型應(yīng)用，獨立光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計大多數(shù)是委托內(nèi)地沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，因所處的地域環(huán)境不同，產(chǎn)生的設(shè)計思路不同，在實際使用過程中存在一定的問題。筆者在學(xué)習(xí)各專家的設(shè)計方法時發(fā)現(xiàn)，未將新疆特殊的地域氣象條件與經(jīng)驗公式結(jié)合，是問題的關(guān)鍵所在。另外，繁瑣的計算公式只有專業(yè)人員才能理解和應(yīng)用，也不利于設(shè)計便捷推廣，本文綜合以往各設(shè)計方法的優(yōu)點，結(jié)合筆者多年來實際從事光伏電源系統(tǒng)設(shè)計工作的經(jīng)驗，引入典型的氣象條件作為設(shè)計的依據(jù)，并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素，提出了太陽能電池、蓄電池容量的計算公式，及相關(guān)設(shè)計方法。
1、 獨立光伏電源系統(tǒng)設(shè)計要素
光伏陣列所受的太陽輻射能量是設(shè)計中的最重要的參數(shù)，它會受太陽照射光譜、光強、大氣層厚度、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響，其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化，新疆太陽總輻射量的特點是冬季(12～2月)太陽總輻射量最小,為520～890MJ /m2 ,占全年的10%～16%。地區(qū)分布主要受緯度支配,由南向北遞減,變化比較均勻。春季( 3 ～5 月)太陽總輻射量為1490 ～1930MJ /m2 ,占全年的28% ～33%。夏季( 6～8月)太陽總輻射量最多,達(dá)1800 ～2 200 MJ /m2 ,占全年的32% ～39.6% ,南北疆差異不明顯。秋季(9 ～11 月)太陽總輻射量為900 ～1 450 MJ /m2 ,占全年總輻射量的18% ～23.5%。根據(jù)新疆太陽總輻射量的特點獨立光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)主要考慮冬季的輻射量是否滿足使用要求。
光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率，它受到電池組件本身的工作溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響，而這三者在一天內(nèi)都會發(fā)生變化，所以太陽能電池方陣的光電轉(zhuǎn)換效率也是變量。
蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化，蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。
太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關(guān)系到耗能的大小，從而影響到充電的效率等。
負(fù)載的用電情況，也視用途而定，如通信中繼站、無人氣象站等，有固定的設(shè)備耗電量。而有些設(shè)備如燈塔、航標(biāo)燈、民用照明及生活用電等設(shè)備，用電量是經(jīng)常有變化的，對于光伏陣列的負(fù)載除用電設(shè)備外，還應(yīng)包含蓄電池充放電過程中的能量損失及線路、控制器的能量消耗。
設(shè)計者在了解設(shè)計要素后，其任務(wù)就是在光伏陣列所處的環(huán)境條件下（即現(xiàn)場的地理位置、太陽輻射能、氣象、負(fù)載等），設(shè)計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟效益，又要保證系統(tǒng)的高可靠性。
2、 蓄電池組的設(shè)計
光伏電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池，與光伏陣列配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨陣列發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化，它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量受環(huán)境溫度的影響很大，對溫度變化適應(yīng)能力較好的是膠體閥控電池，它可以在-20度的環(huán)境下，保持80% ～90%的儲能效率，如使用環(huán)境低于這個溫度，應(yīng)對蓄電池進(jìn)行嚴(yán)格的保溫及防護(hù)設(shè)計，以使電池的活性得到保障，延長電池的使用壽命。
在應(yīng)用于新疆的蓄電池組設(shè)計時，主要考慮負(fù)載日耗電量、連續(xù)陰雨天數(shù)、允許蓄電池放電深度、溫度修正系數(shù)等指標(biāo)。
3、 光伏陣列的設(shè)計
光伏陣列是光伏電源系統(tǒng)的能量提供單元，它由太陽能光伏組件構(gòu)成，目前光伏組件主要分為單晶硅電池組件、多晶硅電池組件和薄膜電池組件等，它們的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命也有一定的區(qū)別。根據(jù)新疆地區(qū)太陽輻射成分主要為垂直分量的特性，推薦采用單晶硅電池組件作為光伏陣列的組成單元。
在設(shè)計時主要考慮冬季太陽水平輻射量、陣列防雪傾角及修正系數(shù)、組件轉(zhuǎn)化效率和陣列轉(zhuǎn)化效率、連續(xù)陰雨天最小間隔等指標(biāo)。
4、 設(shè)計實例
以烏魯木齊達(dá)板城區(qū)某通訊站為例，基本情況：野外無建筑，負(fù)載為200W，工作電壓為48V，每天工作24小時，全年不間斷。
根據(jù)新疆氣象條件，近十年來該地區(qū)最低溫度-30度，冬季平均日照輻射能量2KWH/M2，連續(xù)陰雨最長時間3天，連續(xù)陰雨最長間隔30天。
（1） 蓄電池組的設(shè)計
根據(jù)獲取的氣象資料可知，蓄電池不能采用露天放置，應(yīng)采用特殊防護(hù)措施，建議采用蓄電池深埋或配置蓄電池保溫箱，如采用深埋方式，埋藏深度應(yīng)達(dá)到1.6米以下，低于該地區(qū)凍土層深度，并做防水處理，可保證蓄電池環(huán)境溫度高于0度；如采用保溫箱方式，在保溫箱內(nèi)部加裝高效率電熱膜，保證蓄電池環(huán)境溫度高于0度。
蓄電池容量BC計算公式：
BC = A×QL×NL×TO/ C / D
A：為容量安全系數(shù)，根據(jù)控制器、蓄電池充放電損失特性指標(biāo)，選擇1.1～1.3之間；
QL：為負(fù)載日耗電量，200W * 24 = 4800WH；
NL：為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，根據(jù)氣象資料選擇3；
TO：為溫度修正系數(shù)，一般在0度取1.05，－10度以上取1.1，－10度以下取1.2；
C：為蓄電池最大放電深度，選擇0.6～0.7之間；
D: 為擬采用蓄電池電壓等級，可選擇2V、6V、12V、24V、48V等，根據(jù)本系統(tǒng)選擇48V工作電壓等級，避免采用電源逆變裝置。
BC = 1.2×4800×3×1.05／0.65／48 = 553AH
根據(jù)計算可知，蓄電池選用24節(jié)2V 600AH膠體閥控蓄電池即可。
（2） 光伏陣列的設(shè)計
根據(jù)獲取的氣象資料可知，該地區(qū)冬季平均日照輻射能量2KWH/M2，連續(xù)陰連續(xù)陰雨最長間隔30天；陣列防雪傾角可設(shè)置在大于45度，確保冬季大雪天累雪不會覆蓋在光伏陣列之上而影響發(fā)電效率；對照該地區(qū)緯度43.78度，與輻射最佳傾角正偏離12度，確定陣列傾角為55度，可使陣列采集日照輻射能量最大。
陣列日輸出最小功率PWP計算公式：
PWP = A×QL+ BC×C×48V/T/Φ
T：連續(xù)陰雨最長間隔；
Φ：為傾角修正系數(shù)，烏魯木齊市參數(shù)選擇為1.15。
PWP = 1.2×4800 + (600×0.65×48V)/30/1.15 = 5550WH
根據(jù)該地區(qū)冬季平均日照輻射能量2KWH/M2的情況，選擇組件效率為16.5%的產(chǎn)品，組件面積為每片1.2M2，那么陣列所需組件的最小片數(shù)L計算公式為：
L = PWP / PO×S×PV×PS
PO：為冬季平均日輻射量，烏魯木齊市參數(shù)選擇為2KWH/M2；
S：為每片組件面積；
PV：為組件轉(zhuǎn)化效率；
PS：為組件形成陣列損失系數(shù)，一般選擇為85%～95%。
L = 5550/2000×1.2×16.5%×90% = 15.6片
根據(jù)計算可知，該獨立光伏電站的光伏陣列應(yīng)選擇組件面積為1.2平方米，轉(zhuǎn)化效率為16.5%的產(chǎn)品16片，組成光伏陣列，并根據(jù)組件工作電壓等級，進(jìn)行配電的串、并聯(lián)的配對，以達(dá)到合理的輸出電壓對蓄電池組進(jìn)行充電。
5、 結(jié)論
采用以上設(shè)計方法，在新疆地區(qū)建設(shè)的電站工作情況非常理想，避免了采用日平均標(biāo)準(zhǔn)日照系數(shù)法所帶來冬季電站無法滿足負(fù)載所需電量的情況。
參考文獻(xiàn)：《中國太陽輻射資料》
呂紹秦.新疆能源手冊[M]. 烏魯木齊: 新疆人民出版社,1995
楊勤.寧夏區(qū)域太陽日照輻射通量計算方法的研究[J]. 干旱氣象, 2007.9

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