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家用固定式太阳能电源的应用研究

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摘要：随着工农业生产的迅速发展，可再生能源的研究和利用越来越受到重视。太阳能是资源最丰富的可再生能源之一。它分布广泛、不污染环境，是世界各国公认的理想能源。本文以北京农业职业学院技术研发与示范推广基金项目“北京农村地区环保电源系统应用方案的研究”所建成的光伏电站为基础，详述家用固定式太阳能电源的建立过程，并为大力推广家用固定式太阳能电源的应用提供了样本。

关键词：太阳能家用能源控制器逆变器

我国北方地区年日照时数长，年累计太阳辐照量大。为了充分利用太阳能，中国建设了很多大型光伏电站，例如腾格里沙漠光伏电站，总装机容量超过1500MW。北京大部分农村地区不适合建大型光伏电站。然而，为了与新农村建设规划设施配套，政府大力扶持家用太阳能光伏产业的发展。北京农业职业学院根据北京市政府对建立家用太阳能发电站进行鼓励和补偿的精神，积极开展了相关技术的应用研究，在北京密云地区设计并建立了一套3kW左右的家用固定太阳能发电系统，运行方式为自发自用、余电上网。

一、太阳能电源接入系统方案的确定

1.建立家用固定式太阳能电源的必要性

北京市大力推进燃煤压减和清洁能源设施建设，为首都经济社会持续健康发展、城乡居民生活品质提升、空气质量持续改善提供了坚强保障。能源是经济社会发展的重要物质基础和动力。建设绿色低碳、安全高效、城乡一体的现代能源体系，提升了首都核心功能，提高了人民生活水平。北京市密云区太师屯镇大漕村一用户，原由金山路-025柱上变压器台区供电，金山路-025柱上变压器台区安装1台配电变压器，总容量为80kV·A，金山路-025柱上变压器上级电源引自清水河110kV变电站的金山路10kV线路（261#间隔）。由于地理位置比较偏僻，当供電事故发生时，为了保证家庭基本用电不受影响，有必要建立安全可靠、绿色环保的固定式太阳能电源。

2.太阳能电源接入系统方案的设计

笔者设计的家用固定式太阳能电源，以220V电压等级接入用户内部电网，实现电能自发自用、余电上网。光伏电站接入后，将用户电能表更换为具有双方向计量功能的四费率一型单相远程费控智能电能表及配套隔离开关。

家用固定式太阳能电源硬件构成为光伏方阵、汇流箱、专用逆变器、专用导轨、配电箱、专用电缆和专用接头、GPS模块、计量电表。太阳能电源各部分的组成示意图见图1。

二、设备及其设计与安装

1.太阳能电池方阵的设计与安装

（1）确定太阳能电池方阵的倾角值。光伏生电的工作原理是太阳光线对光伏电池板的照射。当太阳光线与光伏电池板平面垂直时，吸收的太阳光能量最大。由于地球自转，太阳东升西落，太阳光线与地球上任一固定平面不可能时刻保持垂直状态。因此，固定式发电系统最核心的问题就是如何选择最佳的倾角，使太阳能电池组件全年的发电量最大，通常选用的倾角值为当地的纬度值。

（2）太阳能电池方阵的设计。按照用户要求和负载的用电量，进行太阳能电池板的选用与设计。一般情况下，多块太阳能电池板进行串联和并联而形成太阳能电池方阵。电池板的串联用来确定输出电压，电池板的并联用来确定输出电流，最后串并联所有的太阳能电池板的总数目用来确定太阳能电源系统的输出功率。

本设计选用的电池组件为JKM265P-60多晶电池组件。本组件的基本参数为：最大输出功率时工作电压为31.4V，开路电压为38.6V，短路电流为9.03A，最大输出功率时工作电流为8.44A，最大输出功率为265W，最大系统电压为1000V，最大过载保护电流为15A。

经过计算，光伏阵列按照6块电池组件串联后2路再并联进行设计，系统共1个3kW单元，组件总数量12块，容量3.18kW。

2.汇流箱的设计

汇流箱内安装的设备有：直流汇流后空开断路器，逆变后输出交流的空开断路器及防雷保护装置。两路直流电池板输出，经汇流箱合并成一路，经空开断路器控制送到逆变器。

3.逆变器的设计

按照计算，本设计所用逆变器最大输出功率时输入直流工作电压为31.4V×6=188.4V，开路电压为38.6V×6=231.6V。

4.运行监测

本设计选用阳光电源生产的GPS，与逆变器RS232串口相接，实现发电情况实时监测。

三、结果与分析

1.运行效果

电源自2017年2月18日正式运行以来，每天进行远程监测。在太阳能电池组件固定（纬度、海拔、坡度都固定）、日照时间变化不大的情况下，影响发电量的因素是太阳辐射。它的强度则主要由天气情况决定。晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强，发电量就会较多;雨、雪、霾、雾、阴等情况下的天气，太阳辐射被大气削弱，到达地面的太阳辐射就弱，发电量就会较少。经过抽取电站功率实时曲线图，笔者发现每日发电量主要集中在上午9点到下午2点，一般理想状态运行5小时。

2.供电能力

目前用户主要的用电设备为照明、电视、冰箱、冷热空调等，用户最大负荷为3kW。本项目光伏电站峰值发电出力为3.2kW，光伏所发电力消纳方向为金山路-025柱上变压器台区所带负荷。

3.应用价值

北京市密云区太师屯镇大漕村是一个小山村，电源正式运行以后，每天最高发电量约为17.5kW·h左右，除去小院自身用电，余下部分回送电网，供周围村民取用。该村的成果吸引了村民自发参观，为他们提供了一个实用的样品。本太阳能电源系统实际支出42100元人民币（其中用于必需购置设备材料35200元），从2017年2月14日正式运行到2018年2月15日止，系统运行正常，全年发电量约4500kW·h。由于主要设备保证使用15年，国家电网补贴为0.42元/kW·h、可申报北京市级补贴0.3元/kW·h（含税），因此设备运行一直为理想状态。在国家以及北京市政策不变的情况下，15年则共补贴4500kW·h×15×0.72元/kW·h=48600元（含税），若全部自用，相当于15年共赚取48600元-35200元=13400元电费（含税）。

四、小结

从项目发电系统目前运行情况来看，该系统主要不足之处为每天工作时间最多的6小时。为了充分利用太阳能量，笔者深入研究了自动调整进行追踪强光。这项技术实验室已成功实现并且形成了大量的文献资料，但是作为户外实际应用案例较少，后续希望能够成功实施。

参考文献：

[1]国家电网公司.分布式太阳能电源接入配电网相关技术规定（暂行）[Z].2011-10-26.

[2]北京市电力公司.北京电网规划设计技术原则[Z].2014-03-03.

[3]国家电网公司.北京电网分布式电源调度运行管理规范[Z].2014-12-20.

[4]国家电网公司.北京市电力公司分布式电源项目并网服务管理细则（暂行）[Z].2014-01-28.

[5]彭治国，祁正伟，蔡卓康等.电子束辐照对多晶硅太阳能电池电学性能的影响[J].科学技术与工程， 2016（36）.

（作者单位：北京农业职业学院）

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