新疆独立光伏电站的设计方法

新疆独立光伏电站的设计方法
张阳
摘要：文章根据我国国情，论述我国目前能源结构的现状，随着科学技术的发展，结合新疆本地的特点，笔者在应用实践中，因地制宜的提出了新疆独立光伏电站的设计方法。电力论文,电力论文发表,电力职称论文,论文网
关键词：新疆独立光伏电站设计方法
近二十年来，随着我国工农业的高速发展及人民生活对能源的迫切需求造成了能源危机。据统计,我国可采储量的化石能源仅为:原煤114年,原油20年,天然气50年。地球上超过50亿年积累的能源,或许在几十至上百年间将被耗尽,能源危机正引起全球关注。燃烧化石能源释放的大量二氧化碳所造成的环境污染和温室效应,或许不等这些能源耗光之前,地球环境就已被破坏得让人类无法居住了。因此,大力发展可再生能源,已成为人类可持续发展和生存延续的首要问题。寻求化石燃料的替代能源,已经成为我国乃至世界能源战略安全的一个重大问题。而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然能源,地球表层99.8%的能量都来源于太阳。
自2000年以来，世界上越来越多的地区加大了对太阳能研究和应用的投入，我国自2005年以来，政府和社会投入到光伏产业链的资金已高达2万亿人民币，我国光伏产业的产能在全球的份额已接近40%左右。今年来我国政府推进新能源应用的力度也越来越大，2009年3月23日国家财政部和建设部联合发文对太阳能光电建筑应用进行财政补助，这无疑会使我国的光伏产业和应用得到更快的发展。
近几年新疆地区的光伏应用，主要是在边远地区进行的独立光伏电源系统的示范型应用，独立光伏电源系统的设计大多数是委托内地沿海发达地区的机构进行设计，因所处的地域环境不同，产生的设计思路不同，在实际使用过程中存在一定的问题。笔者在学习各专家的设计方法时发现，未将新疆特殊的地域气象条件与经验公式结合，是问题的关键所在。另外，繁琐的计算公式只有专业人员才能理解和应用，也不利于设计便捷推广，本文综合以往各设计方法的优点，结合笔者多年来实际从事光伏电源系统设计工作的经验，引入典型的气象条件作为设计的依据，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。
1、独立光伏电源系统设计要素
光伏阵列所受的太阳辐射能量是设计中的最重要的参数，它会受太阳照射光谱、光强、大气层厚度、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，新疆太阳总辐射量的特点是冬季(12～2月)太阳总辐射量最小,为520～890MJ /m2 ,占全年的10%～16%。地区分布主要受纬度支配,由南向北递减,变化比较均匀。春季( 3 ～5 月)太阳总辐射量为1490 ～1930MJ /m2 ,占全年的28% ～33%。夏季( 6～8月)太阳总辐射量最多,达1800 ～2 200 MJ /m2 ,占全年的32% ～39.6% ,南北疆差异不明显。秋季(9 ～11 月)太阳总辐射量为900 ～1 450 MJ /m2 ,占全年总辐射量的18% ～23.5%。根据新疆太阳总辐射量的特点独立光伏电源系统的设计应主要考虑冬季的辐射量是否满足使用要求。
光伏阵列的光电转换效率，它受到电池组件本身的工作温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响，而这三者在一天内都会发生变化，所以太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。
蓄电池组也是工作在浮充电状态下的，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化，蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。
太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成，它本身也需要耗能，而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小，从而影响到充电的效率等。
负载的用电情况，也视用途而定，如通信中继站、无人气象站等，有固定的设备耗电量。而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备，用电量是经常有变化的，对于光伏阵列的负载除用电设备外，还应包含蓄电池充放电过程中的能量损失及线路、控制器的能量消耗。
设计者在了解设计要素后，其任务就是在光伏阵列所处的环境条件下（即现场的地理位置、太阳辐射能、气象、负载等），设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性。
2、蓄电池组的设计
光伏电源系统的储能装置主要是蓄电池，与光伏阵列配套的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随阵列发电量和负载用电量的变化而变化，它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量受环境温度的影响很大，对温度变化适应能力较好的是胶体阀控电池，它可以在-20度的环境下，保持80% ～90%的储能效率，如使用环境低于这个温度，应对蓄电池进行严格的保温及防护设计，以使电池的活性得到保障，延长电池的使用寿命。
在应用于新疆的蓄电池组设计时，主要考虑负载日耗电量、连续阴雨天数、允许蓄电池放电深度、温度修正系数等指标。
3、光伏阵列的设计
光伏阵列是光伏电源系统的能量提供单元，它由太阳能光伏组件构成，目前光伏组件主要分为单晶硅电池组件、多晶硅电池组件和薄膜电池组件等，它们的转化效率和使用寿命也有一定的区别。根据新疆地区太阳辐射成分主要为垂直分量的特性，推荐采用单晶硅电池组件作为光伏阵列的组成单元。
在设计时主要考虑冬季太阳水平辐射量、阵列防雪倾角及修正系数、组件转化效率和阵列转化效率、连续阴雨天最小间隔等指标。
4、设计实例
以乌鲁木齐达板城区某通讯站为例，基本情况：野外无建筑，负载为200W，工作电压为48V，每天工作24小时，全年不间断。
根据新疆气象条件，近十年来该地区最低温度-30度，冬季平均日照辐射能量2KWH/M2，连续阴雨最长时间3天，连续阴雨最长间隔30天。
（1）蓄电池组的设计
根据获取的气象资料可知，蓄电池不能采用露天放置，应采用特殊防护措施，建议采用蓄电池深埋或配置蓄电池保温箱，如采用深埋方式，埋藏深度应达到1.6米以下，低于该地区冻土层深度，并做防水处理，可保证蓄电池环境温度高于0度；如采用保温箱方式，在保温箱内部加装高效率电热膜，保证蓄电池环境温度高于0度。
蓄电池容量BC计算公式：
BC = A×QL×NL×TO/ C / D
A：为容量安全系数，根据控制器、蓄电池充放电损失特性指标，选择1.1～1.3之间；
QL：为负载日耗电量，200W * 24 = 4800WH；
NL：为最长连续阴雨天数，根据气象资料选择3；
TO：为温度修正系数，一般在0度取1.05，－10度以上取1.1，－10度以下取1.2；
C：为蓄电池最大放电深度，选择0.6～0.7之间；
D: 为拟采用蓄电池电压等级，可选择2V、6V、12V、24V、48V等，根据本系统选择48V工作电压等级，避免采用电源逆变装置。
BC = 1.2×4800×3×1.05／0.65／48 = 553AH
根据计算可知，蓄电池选用24节2V 600AH胶体阀控蓄电池即可。
（2）光伏阵列的设计
根据获取的气象资料可知，该地区冬季平均日照辐射能量2KWH/M2，连续阴连续阴雨最长间隔30天；阵列防雪倾角可设置在大于45度，确保冬季大雪天累雪不会覆盖在光伏阵列之上而影响发电效率；对照该地区纬度43.78度，与辐射最佳倾角正偏离12度，确定阵列倾角为55度，可使阵列采集日照辐射能量最大。
阵列日输出最小功率PWP计算公式：
PWP = A×QL+ BC×C×48V/T/Φ
T：连续阴雨最长间隔；
Φ：为倾角修正系数，乌鲁木齐市参数选择为1.15。
PWP = 1.2×4800 + (600×0.65×48V)/30/1.15 = 5550WH
根据该地区冬季平均日照辐射能量2KWH/M2的情况，选择组件效率为16.5%的产品，组件面积为每片1.2M2，那么阵列所需组件的最小片数L计算公式为：
L = PWP / PO×S×PV×PS
PO：为冬季平均日辐射量，乌鲁木齐市参数选择为2KWH/M2；
S：为每片组件面积；
PV：为组件转化效率；
PS：为组件形成阵列损失系数，一般选择为85%～95%。
L = 5550/2000×1.2×16.5%×90% = 15.6片
根据计算可知，该独立光伏电站的光伏阵列应选择组件面积为1.2平方米，转化效率为16.5%的产品16片，组成光伏阵列，并根据组件工作电压等级，进行配电的串、并联的配对，以达到合理的输出电压对蓄电池组进行充电。
5、结论
采用以上设计方法，在新疆地区建设的电站工作情况非常理想，避免了采用日平均标准日照系数法所带来冬季电站无法满足负载所需电量的情况。
参考文献：《中国太阳辐射资料》
吕绍秦.新疆能源手册[M]. 乌鲁木齐: 新疆人民出版社,1995
杨勤.宁夏区域太阳日照辐射通量计算方法的研究[J]. 干旱气象, 2007.9