刘增勋　刘志昂　满磊　朱静茹　李贤

摘要：以四川省乐山市为例，根据当地气候条件、地理位置及太阳辐射度等情况，使用PVsyst软件对当地家用光伏发电系统设计方案进行了模拟仿真。在满足一个家庭的基本用电情况下，对该系统的蓄电池容量、光伏方阵容量、方阵的倾角、设备选型等方面进行了优化设计与选择，通过最优化设计使系统达到了最佳输出额定功率、节省成本、节约能源的效果。

关键词：PVsyst；最佳倾角；光伏发电系统

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：16749944（2014）09—0244—03

1引言

能源是世界发展的源动力，随着石油等矿物能源的消耗，能源危机已经是世界面临的一大挑战，因此开发和利用新能源是未来发展的必然趋势。太阳能作为一种新能源，与常规能源相比有三大特点，第一：它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二：太阳能可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三：太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡，不会造成污染和公害。现今国内外都在大力发展太阳能，比如建造大型太阳能发电基地，建设太阳能的公共设施，太阳能的建筑一体化等[1]。本文将对一个独立光伏系统进行设计，并且采用PVsyst该软件进行模拟和优化设计，从而达到进一步了解光伏发电系统的目的。

2项目地概况

乐山市位于东经102°15′～104°15′、北纬28°28′～29°56′之间，处于第8时区，北面与峨眉山接壤，东面与自贡市毗邻，东南面和西南面分别与宜宾市和凉山彝族自治州相连，平均海拔约400m。该区域属亚热带季风气候，四季分明，雨量丰沛，水热同季，无霜期长，年平均气温16.5～18.0℃，年极端最高气温40 ℃，最低-4℃。年平均无霜期长达300d以上。年平均霜日4.2～9.4d。年平均降水量在1290mm左右，年平均相对湿利用软件PVsyst自动导入天气状况，如图1所示。第一个方框竖排表示平均每月的全局辐射，第二个方框竖排表示平均每月的温度。

3独立光伏光电系统设计分析

3.1独立光伏系统的组成部分

独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池等组成。目前在独立运行的光伏发电系统中，普遍采用的结构如图2所示。首先利用太阳能电池来收集太阳能，在经过DC/DC变换器给蓄电池充电。受环境影响太阳能电池输出的的电压不稳定，所以一般先将电池输出的电能储存在蓄电池中，之后由蓄电池输出供负载使用[2]。由于蓄电池的电压较低，往往无法满足控制器要求，因此还需要一个升压变压器，将直流电压升高，最后通过控制器将直流电转化为220V/50Hz的交流电供用户使用。当光伏系统发电量不足时，这时就需要备用发电机来满足用户的需求。

3.2最佳倾角、方位角的确定

对于独立系统，PVsyst软件会默认选择冬季最优，因为冬季的太阳辐射量低，所以该系统的安装角度以冬季为标准。如图3所示，点击旁边的小三角或直接输入来调整倾角和方位角，在调整时，有三个参数会相应变化，分别是斜面辐射与水平辐射的比（FT），相对于最优化的损失比和倾斜面的辐射能。调整角度，当FT为最大，最优化的损失比为零、倾斜面辐射能最大这三个条件同时满足时，倾斜角达到最优。四川乐山属于在北半球，此时方位角是正南面，也就是零度，支架安装方式为固定安装。

3.3蓄电池、光伏组件的选型

确定阴影遮盖损耗：由于本次设计为房屋建筑物顶端，预想为没有阴影遮盖。如表1所示的系统负载情况，每日的用电消耗量：3040kW·h/d。

由于太阳辐射量随季节、气候等变化，且蓄电池充电时最高只能到达额定容量，放电时又要受放电深度的限制，所以在一定范围内蓄电池容量也会影响光伏方阵的发电量，在同样满足负载用电需要时可以有多种方阵和蓄电池容量的组合。最优化设计应从可靠性和经济性两方面进行综合考虑，以确定既能满足负载用电要求，又是成本最低的方阵和蓄电池容量组合[3]。对于可靠性指标，国外大多采用负载缺电率（LOL P）来衡量[4～6]。一般户用光伏系统只要LOL P=10-2即可，这样可以降低成本，提高系统的经济性。

蓄电池的选择：选用2V1500Ah的蓄电池（平湖天上能源有限公司所生产的NR/2V1500），

串联数=总电压/单个电池电压=24/2=12，

并联数=总容量/单个电池容量=1403/1500≈1。

则总共用了12个电池容量为1500Ah，存储电量为36.0kW·h[7]，如图4中的第一个方框所示。

光伏组件的选择：由于该系统只是一般的家庭系统，按照经济适用的原则来看，选择多晶硅的电池板比较合适，经筛选选择由中国英利生产的YGE 160Wp29V的光伏组件，串并联计算方法与蓄电池计算方法基本相同，得出需要1个串联8个并联，总共8块电池板。阵列电压值为34.6V，电流值为38.5A，功率为1.3kWp，如图4中的第二个方框。选型结果如图4。

3.4系统性能分析

如图5所示，红色条形代表系统发电量，绿色条形代表用户使用电量，左上角的红色方框代表光伏组件平均每天产生的电能3.3kW·h/d，绿色方框代表用户平均每天使用电量3.0kW·h/d，在9、10、11这三个月中，日照时间比较短，光伏系统的发电量受到影响，导致耗电量大于系统发电量，这时就需要备用发电机，使输入输出量达到平衡，因此该系统的设计满足用户使用。

3.5经济预算

本次设计投资如表2。endprint

由于我国对光伏发电系统有所补助，所以这里假设此项目税务为0，银行贷款利率为0。最终发电价格为每度电1.45元，由于乐山是一个辐照量比较低的城市，软件模拟结果的最终发电价格有点偏高，实际上是具有可行性的。

3.6环保效益

每度电耗煤0.4kg，25年内系统总发电量为25818kW·h，节约了10.33t煤。分析了中国电厂燃料结构，进行计算，得出了中国的CO2排放指数为0.814kg/kW·h[8]。该系统25年内将减少约21tCO2排放，对环境保护有一定的正面作用。

2014年9月绿色科技第9期4结语

随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。本次设计位于乐山的独立光伏发电系统经软件仿真模拟可以100%满足用户用电需求，年发电量为1109kW·h，系统总成本为40120元，折合电价为1.45元/kW·h。从经济方面分析，蓄电池的投资占用了一大部分，系统总成本稍微高了一点，使最后光伏电价较高，但是考虑到政府的相关政策和相当好的环境效益，该系统还是具有一定的可行性。

参考文献：

[1] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 曾叶凡，刘志峰，张爱平.独立光伏发电系统的研究与设计[J].制造业自动化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 杨金焕，汪征浤，陈中华，等.负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计[J].太阳能学报，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陈耀.独立光伏系统蓄电池的选择[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 杨金焕.光伏系统减排CO2潜力的分析[C]//中国太阳能学会.第十届中国太阳能光伏会议论文集.北京：中国太阳能学会，2008：845～849.endprint

由于我国对光伏发电系统有所补助，所以这里假设此项目税务为0，银行贷款利率为0。最终发电价格为每度电1.45元，由于乐山是一个辐照量比较低的城市，软件模拟结果的最终发电价格有点偏高，实际上是具有可行性的。

3.6环保效益

每度电耗煤0.4kg，25年内系统总发电量为25818kW·h，节约了10.33t煤。分析了中国电厂燃料结构，进行计算，得出了中国的CO2排放指数为0.814kg/kW·h[8]。该系统25年内将减少约21tCO2排放，对环境保护有一定的正面作用。

2014年9月绿色科技第9期4结语

随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。本次设计位于乐山的独立光伏发电系统经软件仿真模拟可以100%满足用户用电需求，年发电量为1109kW·h，系统总成本为40120元，折合电价为1.45元/kW·h。从经济方面分析，蓄电池的投资占用了一大部分，系统总成本稍微高了一点，使最后光伏电价较高，但是考虑到政府的相关政策和相当好的环境效益，该系统还是具有一定的可行性。

参考文献：

[1] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 曾叶凡，刘志峰，张爱平.独立光伏发电系统的研究与设计[J].制造业自动化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 杨金焕，汪征浤，陈中华，等.负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计[J].太阳能学报，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陈耀.独立光伏系统蓄电池的选择[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 杨金焕.光伏系统减排CO2潜力的分析[C]//中国太阳能学会.第十届中国太阳能光伏会议论文集.北京：中国太阳能学会，2008：845～849.endprint

由于我国对光伏发电系统有所补助，所以这里假设此项目税务为0，银行贷款利率为0。最终发电价格为每度电1.45元，由于乐山是一个辐照量比较低的城市，软件模拟结果的最终发电价格有点偏高，实际上是具有可行性的。

3.6环保效益

每度电耗煤0.4kg，25年内系统总发电量为25818kW·h，节约了10.33t煤。分析了中国电厂燃料结构，进行计算，得出了中国的CO2排放指数为0.814kg/kW·h[8]。该系统25年内将减少约21tCO2排放，对环境保护有一定的正面作用。

2014年9月绿色科技第9期4结语

随着能源的日益短缺，太阳能的开发和利用在当今社会的低位将越来越重要，这样的小型光伏发电系统也将越来越多的出现在人们的生活当中。本次设计位于乐山的独立光伏发电系统经软件仿真模拟可以100%满足用户用电需求，年发电量为1109kW·h，系统总成本为40120元，折合电价为1.45元/kW·h。从经济方面分析，蓄电池的投资占用了一大部分，系统总成本稍微高了一点，使最后光伏电价较高，但是考虑到政府的相关政策和相当好的环境效益，该系统还是具有一定的可行性。

参考文献：

[1] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 曾叶凡，刘志峰，张爱平.独立光伏发电系统的研究与设计[J].制造业自动化，2008，30（4）：72～75；.

[3] 杨金焕，汪征浤，陈中华，等.负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计[J].太阳能学报，1999（1）：93～99.

[4] Tsalides Ph.，Thanailakis A.Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer-aided design of stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Cells，1986（18）：115～127.

[5] Klein SA，Beckman WA.Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy，1987（39）：499～512.

[6] Groumpos P，Papa Georgiou G.An optimal sizing method for stand-alone photovoltaic power systems[J].Solar Energy，1987（5）：341～351.

[7] 陈耀.独立光伏系统蓄电池的选择[J].新能源，2011（3）：47～49.

[8] 杨金焕.光伏系统减排CO2潜力的分析[C]//中国太阳能学会.第十届中国太阳能光伏会议论文集.北京：中国太阳能学会，2008：845～849.endprint