鄒仕強

(中煤科工集團 武漢設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢 430064)

0 引言

太陽能屬于可再生的清潔能源，光伏發(fā)電一直受到國家相關(guān)政策的鼓勵與支持。當負荷較小，且位于偏遠地區(qū)，從電網(wǎng)獲取電源困難或不經(jīng)濟時，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個清潔、高效、安全可靠的電源獲取途徑。但由于應用場景相對較少，現(xiàn)行國家規(guī)范及標準圖集如文獻[1-3]主要針對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，相關(guān)研究也多集中在某一個參數(shù)的選擇與計算，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計流程及全部關(guān)鍵參數(shù)的選擇與計算。文獻[4-5]主要針對太陽能電池組件傾角進行分析，文獻[6-7]側(cè)重儲能系統(tǒng)或蓄電池容量的優(yōu)化配置，文獻[8]則利用Matlab進行仿真，進一步對蓄電池儲能單元的特性進行研究。文獻[9]主要研究了獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池計算所需要的連續(xù)陰雨天數(shù)。文獻[10]雖有獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成內(nèi)容介紹，但重點在于講解利用PVsyst軟件模擬仿真。依托神渭管道輸煤工程的設(shè)計及建設(shè)，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及圖集，對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計步驟及關(guān)鍵參數(shù)計算進行了研究與綜合，提出了等效日均負荷的定義及計算公式，提出了工程設(shè)計邏輯框圖，可供標準化、規(guī)范化工程設(shè)計使用。

1 工程概述

管道輸煤是一種新型的輸煤方式，隨著神渭輸煤管道投料試運行的成功，管道輸煤作為與傳統(tǒng)的公路、鐵路及輸送帶運輸相比更為環(huán)保，在一定距離下更為經(jīng)濟的全新輸煤方式開始引起廣泛關(guān)注，為煤炭高效、清潔輸送和利用提供了技術(shù)保障。

神渭輸煤管道工程全長727 km，設(shè)計輸送能力為10.0 Mt/a。管道沿線設(shè)有6個截斷閥室、24個壓力監(jiān)測站及1個調(diào)壓站。截斷閥室及壓力監(jiān)測站常用設(shè)備功率較小，主要為SDH設(shè)備、云臺攝像機、PLC、照明等，總功率不超過300 W。1～4號截斷閥室有球閥2個，功率均為3 kW；5～6號截斷閥室2個球閥功率均為1.5 kW。所有截斷閥室電動閥僅在事故或緊急情況下工作，工作時間2 min左右。這些截斷閥室及壓力監(jiān)測站常用持續(xù)負載功率較小，大部分位于偏遠地帶，附近無合適電源，從電網(wǎng)取得電源不經(jīng)濟，比較適合采用光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其原理是利用光電效應，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。自用而不接入公用電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)為獨立發(fā)電系統(tǒng)，反之則為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)按功能模塊劃分的流程如圖1所示。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計核心需要解決的問題是：光伏安裝容量、蓄電池容量、光伏組件選擇及串并聯(lián)數(shù)量，光伏組件安裝傾角、控制器參數(shù)選擇、逆變器參數(shù)選擇。圖1中匯流箱不是必需的，交流配電柜由負荷配電回路決定，與光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

3 設(shè)計過程及方法

針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計需要解決的核心問題，列出獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計邏輯框圖，如圖2所示。具體步驟為：

1) 負荷統(tǒng)計計算，確定負荷容量及連續(xù)工作時間。

2) 分析當?shù)靥柲苜Y源及天氣數(shù)據(jù)。

3) 計算光伏組件安裝容量及傾角。

4) 計算蓄電池容量。

5) 初步選定光伏電池參數(shù)，計算串并聯(lián)數(shù)量。

6) 初步布置，若布置面積超標，則跳轉(zhuǎn)至第5步重新選擇光伏組件至布置滿足要求。

7) 匯流箱及控制器選擇。

8) 離網(wǎng)逆變器的選擇。

圖2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計邏輯框圖

3.1 負荷計算

工程設(shè)計流程首先需確定負荷容量，不同負荷工作時間不同，按照能量守恒方式，各類負荷額定功率與工作時間之積的總和為總能量需求，除以24 h定義為負荷等效日平均功率，即：

(1)

式中:Pi,i=1,2,…,n是各類負荷額定功率，kW；Ti,i=1,2,…,n是各負荷對應的每日工作時間，h；P0是等效日平均功率，等于每日全部用電量除以24 h。

3.2 太陽能資源分析

太陽能資源分析主要依靠軟件進行，參考文獻[4]對各類仿真軟件的優(yōu)缺點進行了對比，參考文獻[5]利用PVsyst進行了仿真設(shè)計。本文選擇PVsyst軟件進行仿真分析。輸入項目所在地經(jīng)緯度，可獲取項目所在地的太陽輻射數(shù)據(jù)。通過軟件獲取太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻射量HA，單位為kWh/m2/d，以備光伏組件安裝容量計算使用。

3.3 計算光伏組件容量及傾角

獨立光伏安裝容量公式[3]：

P=(Pe×D×K×Es)/(Hf×η)

(2)

式中:Pe為計算負荷，kW；D為每天用電小時數(shù),h；當采用式(1)中的等效日均負載時，D取24 h。Hf為太陽輻射能量最小月的日平均水平面上總輻射量，單位為kWh/m2/d，在我國通常為1月太陽輻射能量最小；K為可靠系數(shù)，表征不間斷陰雨天的裕量值，其范圍可取1.2～2.0；η為效率系數(shù)，考慮整體系統(tǒng)效率，一般取0.85；Es為常數(shù)，表示特定情況下的太陽輻射強度，值為1 kW/m2。

傾角計算一方面考慮全年日均輻射量較均衡，另一方面要滿足冬季日均輻射量盡量取得最大值[6]。這與并網(wǎng)型光伏陣列傾角要求全年最大發(fā)電量是不同的。

3.4 蓄電池容量計算

目前儲能裝置以鉛酸蓄電池為主[7]，計算公式[3]：

Ca=1 000D×Fc×P0/(U×Ka)/Vs

(3)

式中:Ca為蓄電池總?cè)萘浚珹h;D為最長連續(xù)無日照用電小時數(shù);Fc為蓄電池放電倍率調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取1.05;P0為等效日均功率，kW;U為蓄電池放電深度，取值范圍0.5～0.8;Ka為綜合效率，一般為0.7～0.8；Vs為電池組額定電壓，V。

3.5 光伏電池選擇，串并聯(lián)計算

光伏組件串并聯(lián)數(shù)量取決于系統(tǒng)電壓及電流[9]，所選光伏電池功率應滿足Pe×Nc×Nb≥P。Pe為所選光伏電池組件額定功率,Wp;Nc為串聯(lián)組件數(shù);Nb為并聯(lián)組件數(shù)。顯然電池組件單位面積的功率越大，同等功率占地面積越小。當然單位組件功率越大,價格越高，實際工程設(shè)計時應綜合考慮。串并聯(lián)數(shù)量計算公式[3]

串聯(lián)數(shù)：Nc=Vsc/Vm

(4)

并聯(lián)數(shù)：Nb=P/(Pm×Nc)

(5)

式中:Vsc為蓄電池組浮充電壓,V;Vm為光伏電池峰值工作電壓,V;Pm為所選光伏組件峰值功率,kWp。

3.6 組件陣列布置

組件陣列布置距離D應保證冬至日有效日照時間內(nèi)，前后光伏組件上無陰影遮蓋。在北半球即為12月22日9:00～15:00(真太陽時)的時間段內(nèi)，前后組件上無陰影。傾角計算示意如圖3所示[3]：

圖3 光伏傾角計算示意圖

光伏陣列間不遮擋的最小間距D計算公式[3]：

D=L×cosβ

(6)

β=arcsin(cosδsinω/cosα)

(7)

α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(8)

L=H/tanα=Ls×sinZ/tanα

(9)

式中：D為陣列的間距，m；L為光伏組件投影長度，m；H為光伏組件高度，m；LS為組件斜長，可查詢產(chǎn)品參數(shù)獲得，m；Z為太陽能光伏組件傾角；α為某日某時刻太陽高度角；β為某日某時刻太陽方位角，北半球，中午12時正南方向β為0；φ為當?shù)鼐暥?；δ為某日的赤緯角；ω為某刻的時角；δ與ω均按北半球冬至日上午9時計算取值，其中δ=-23.45°，ω=45°。

3.7 匯流箱與控制器選擇

一般小功率控制器為單回路輸入，大功率(10 kW及以上)控制器為多回路輸入。對于單回路控制器，應安裝匯流箱。匯流箱輸入回路K≥Nb，匯流箱每回輸入回路應設(shè)組串過流保護電器，保護電器額定電流In應滿足[3]：

1.5Isc≤In≤2.4Isc

(10)

且In≤Iumax

(11)

式中:Isc為所選光伏組件短路電流，在標準測試條件下測得，可由產(chǎn)品樣本獲得，A。Iumax為光伏組件最大熔斷器額定電流，A。

控制器選擇主要考慮：系統(tǒng)工作電壓Un；額定輸入電流Ie；最大充電電流Ic；額定負載電流Ip。Un取蓄電池組工作電壓，Ie應不小于組件或方陣輸出電流，Ic取組件或方陣最大輸出電流，Ip應與逆變器選擇相匹配，滿足逆變器輸入要求。

3.8 逆變器選擇

逆變器選擇主要考慮：系統(tǒng)工作電壓，即逆變器直流輸入電壓;額定容量S，應按負載容量及負載特性選擇。逆變器容量應大于負載容量，同時對于感性負載應考慮沖擊系數(shù)，沖擊系數(shù)一般取5～7，對于阻性負載，取1.5，容性負載建議取2.5。

(12)

式中:S為逆變器額定容量，kW;K為沖擊系數(shù)，Pi為各類負載;Pm為對應不同沖擊系數(shù)的最大負載，kW;η為逆變器效率，容量越大，效率越高，一般10 kW以下逆變器效率為0.85～0.9。上式表示計算不同沖擊系數(shù)下的最大負載與其他負載之和，取最大值。

4 工程設(shè)計實例

以神渭輸煤管道工程為例，按上述8個步驟進行太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計。

4.1 負荷計算

表1 壓力監(jiān)測站及截斷閥室負荷統(tǒng)計表

4.2 太陽能資源分析

利用PVsyst 6.7軟件獲取太陽輻射最差月份日均水平面太陽總輻射量HA。因工程分布線路長，延安以北取榆林市太陽能輻射數(shù)據(jù)，延安及以南則取延安市太陽輻射數(shù)據(jù)。

4.3 光伏組件容量及傾角

按式(2)計算光伏組件容量：

P=Pe×D×K×Es/(Hf×η)=0.306×24×

1.3×1/(2.55×0.85)=4.402 kWp

因負載平均功率差別不大，因此按最大值取，計算光伏組件容量應不小于4.402 kWp，確定選擇4.8 kWp。

利用PVsyst軟件仿真，榆林地區(qū)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)傾角選擇47°，延安地區(qū)選擇45°,如圖4所示。

4.4 蓄電池容量計算

蓄電池容量計算需要考慮連續(xù)陰雨天數(shù)，參考文獻[10]對此進行了詳細分析，我國西部地區(qū)多數(shù)氣象站點的平均連續(xù)陰雨天數(shù)在2 d以下[10]。本工程按3 d計算，同時考慮前一晚供電12 h，總計84 h。

蓄電池電壓則按負荷供電的要求，選取直流220 V系統(tǒng)，由18塊12 V免維護密封鉛酸蓄電池組成，12 V單體電池浮充電壓為13.65 V。按式(3)計算：

Ca=1 000D×Fc×P0/(U×Ka)/Vs=1 000×

84×1.05×0.306/(0.7×0.75)/216=

237.87 kWp

計算結(jié)果選擇標準容量250 AH。

4.5 光伏電池選擇，串并聯(lián)計算

光伏容量4.8 kWp，初步選擇36 V，200 Wp多晶硅光伏電池，其峰值工作電壓為36.95 V。由式(4)可得串聯(lián)數(shù)：Nc=Vsc/Vm=(18×13.65)/36.95=6.65。取Nc為8塊。由式(5)可得并聯(lián)數(shù)：Nb=P/(Pm×Nc)=4.8/(0.2×8)=3，最終選擇8串3并。

4.6 組件陣列布置

所選光伏組件斜長1 580 mm，前排單串，后排2串布置，各站點緯度分布在38.8°～36.6°之間，依據(jù)公式(6)～(9)，最終計算陣列間距最大值為3.24 m(神木緯度38.83，傾角47°)，最小為2.52 m(渭南緯度34.5，傾角45°)。

4.7 匯流箱與控制器選擇

標準測試條件下所選光伏電池短路電流為5.65 A，最大熔斷器額定電流為15 A。由式(10)、(11)可推得8.48 A≤In≤13.56 A且In≤15 A。因此匯控箱內(nèi)選擇額定電流為10 A的光伏專用直流斷路器，額定絕緣電壓1 000 V?？刂破黝~定工作電壓220 V， 額定輸入電流25 A×2，額定充電電流50 A，額定負載電流25 A×2。

4.8 逆變器選擇

逆變器額定輸入工作電壓DC 220 V，容量分2種情況，一是普通壓力監(jiān)測站，主要為阻性及感性負載，最大工作負載為0.31 kW，額定輸出電壓AC 220 V，依據(jù)式(12)，S>5×0.31/0.85=1.8 kW。選擇2 kW逆變器。對于截斷閥室，含3 kW截斷閥時，S>max{0.31+7×3，3+5×0.31}/0.85=25.07 kW；選擇30 kW逆變器，額定輸出電壓AC 380 V。含1.5 kW截斷閥時S>max{0.31+7×1.5，1.5+5×0.31}/0.85=12.72 kW；選擇20 kW逆變器，額定輸出電壓AC 380 V。

5 結(jié)論

按以上標準化流程設(shè)計出的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在神渭輸煤管道沿線壓力監(jiān)測站及截斷閥室屋頂，共安裝了22套。2020年9月，神渭輸煤管道帶漿試運行成功，沿線太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行良好。壓力監(jiān)測站太陽能發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部、外部安裝完成照如圖5、圖6所示。

圖5 壓力監(jiān)測站太陽能發(fā)電系統(tǒng)外部安裝完成照

離網(wǎng)型光伏電站容量通常較小，應用場合也較少，相應的國家標準及規(guī)范不完善。本文以工程實際結(jié)合部分規(guī)范及參考文獻，指出離網(wǎng)型光伏電站設(shè)計需要解決的核心問題，提出等效日均負荷定義及計算方法，進而列出工程全過程設(shè)計邏輯框圖。經(jīng)神渭管道輸煤工程運行檢驗，本文步驟及方法是全面可靠的，可作為類似工程設(shè)計參考。