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标题	高原高寒地区太阳能发电系统研究
范文	冯志祥 摘要：高原高寒地区具有海拔高、气温低、空气稀薄等特点，在这样的地区建设常规发电系统的难度较大。由于海拔较高，可以接收到的太阳光辐射量较多，这为太阳能发电系统的建设创造了有利条件。基于此，本文阐述了高原高寒地区建设太阳能发电系统的重要意义，分析了太阳能微网发电系统的主要结构及微源输出特性，及高原高寒地区太阳能微网发电系统设备的选型。 关键词：高原高寒地区 太阳能 微网发电系统 建设 中图分类号：TM615 文献标识码：A 1 高原高寒地区建设太阳能发电系统的重要意义 高原高寒地区是指海拔高度在1000米以上且气候寒冷的地区，由于海拔较高，给供电系统的建设增添了极大的难度，特别是一些交通闭塞的地区，如果新建电网线路，需要投入的资金数以亿计，即便电网建成投用，运维也极其困难，供电可靠性和电能质量均无法得到有效保证。虽然高原高寒地区利用传统的供电方式进行供电困难较大，但是在这样地区中，却存在大量的可再生资源，以太阳能为例，高原地区的海拔较高，大气层的透明度好，能够接收到更多的太阳辐射，这为太阳能发电系统的建设与应用提供了有利条件。青藏高原是我国四大高原之一，它被人们称之为距离太阳最近的地方，年均日照时长在3000h左右。太阳能作为一种可再生资源，对它进行合理地开发利用，能够解决高原高寒地区传统供电系统建设和运维难度大的问题。 2 高原高寒地区太阳能微网发电系统的主要结构 2.1直流系统 对于纯直流微网发电系统而言，储能、分布式发电单元以及直流负荷，在不需要任何装换装置的前提下，均能直接汇聚到直流母线当中。而所有的交流负荷必须经由电力电子装置进行交直流转换后，才能汇入到直流母线中。 2.2交流系统 在交流母线发电系统结构中，所有的直流储能及负荷，全都需要通过电力装置转换后，使直流变为交流，才能汇入到母线中。而交流负荷及储能，则可直接汇入到母线中。在该结构中，储能系统不但能够向电网进行供电，而且还能从电网中获取电能，对分布式发电单元及负荷波动进行补偿，在确保电能质量的同时，提高了供電可靠性。交流微网发电系统结构的特点较为突出。例如，系统内所有发电设备的功率均能够进行叠加，易于运维，可对常规电网进行有效兼容等。但这种系统结构也具有一定的缺陷，由于各单元需配置独立的变流器，并且还需要对发电单元进行单独控制，所以建设投资较高。 2.3混合型系统 该系统是直流与交流系统的综合，它可以使两种系统的优点得以最大限度地发挥，并相互弥补各自的缺陷。在混合系统中，直流和交流储能单元及分布式电源均可直接与对应的母线进行连接，由此减少了交流—直流、直流—交流的转换环节，使得微网发电系统的成本大幅度降低。因高原高寒地区的用电负荷种类复杂，其中不仅有交流电，而且还有直流负荷。所以，可将混合型系统结构作为首选。 3 太阳能微网发电系统微源输出特性分析 由于组成太阳能微网发电系统的微源种类相对较多，它们的发电特性全都有所区别，为获得相应的发电数据，需要通过建立数学模型的方法对微源的功率输出特性进行分析。 3.1光伏发电的数学模型 由式（1）可知，当确定光伏电池的类型后，利用某个时间段的太阳光照强度和电池表面温度，便可计算出该时段电池的出力情况。 3.2光热发电的数学模型 太阳能光热发电是太阳能利用领域研究的重要课题之一，这种发电方式是目前为止唯一一种完全清洁的发电方式。通过该方式进行发电的过程中，还可以获得热能，因不再需要将电能转化为热能，所以使能源的使用效率显著提升。光热发电只需要使用结构简单的聚热装置，成本远远低于光伏发电。在光热发电系统中，槽式是应用较为广泛的一种技术，其特点是结构紧凑，便于安装、易于维护，占地面积小，开发风险低。槽式集热器的效率主要与以下因素有关：材料、结构、太阳辐射强度、导热管温度与环境温度的差值等，此类发电系统的计算模型如下： 4 高原高寒地区太阳能微网发电系统设备选型 由上文分析可知，太阳能微网发电系统常用的形式有两种，一种是光伏发电，另一种是光热发电。在高原高寒地区建设光热发电系统的难度要远远高于光伏系发电系统。因此，可将光伏发电系统作为首选方案。 4.1地区概况 某地区的海拔高度为3180m，属于典型的高原高寒地区，冬季持续的时间较长，并且气候寒冷、干燥，该地区的灾害性气候较多，如强降雨、冰雹、大风天气等等，由此对系统关键设备的选型与安装带来了一定的影响。由该地区的气象资料可知，当地全年太阳投射的角度变化幅度较小，可以接受到的太阳辐射能非常充足，日照小时数受季节性的影响不大，大气层的透明度较高，太阳能辐射总量可以达到1350～1500kWh/㎡/年。 4.2光伏组件选型 在对太阳能光伏发电系统中的光伏组件进行选型前，需要对电池方阵的倾斜角度进行确定。这是因为光伏组件的摆放形式及角度，对系统接收太阳辐射有一定的影响，直接关系到发电能力。由于光伏发电系统在大部分时间段均为并网运行，所以可按照最大发电原则对倾角进行设计。以β表示倾角，散热辐射量按30%进行估算，可得出该地区光伏电池的倾斜角为29°，在该角度下，所能接受的太阳辐射总量最大，约为1795kWh/㎡/年。由于本系统长时间处于并网状态下运行。故此，在对光伏组件进行选型时，依据可铺设面积得到的最大发电量，最终选用多晶硅。当光伏组件选型完毕后，需要选择支架，目前常用的支架有两种，一种是跟踪式，另一种是固定式，前者的造价较高，并且技术复杂，后者的造价低且易于安装，因此，可选择固定式作为光伏组件的支架。 4.3逆變器选型 在太阳能光伏发电系统中，光伏逆变器是较为重要的部件之一，它的性能优劣以及相关技术参数设定的合理与否，对系统的运行稳定性、可靠性具有直接影响。由于该发电系统需要建设在海拔3000m以上的地方，所以设备需要降容7%左右使用。因高原高寒地区具体海拔高，气温低等特点，在低温条件下，光伏组件的开路电压和工作电压会有所升高。因此，在对光伏组件进行串联的过程中，必须将气温的影响作为重点考虑因素，避免过电压造成逆变器设备损坏。基于这一前提，本系统在对光伏逆变器进行选择时，采用了YC250微型逆变器，该设备能够提升每一个逆变电源模块的发电量，可对最大功率进行跟踪；通过对光电板的电压和电流进行调整，可以防止系统发生失配的问题；每个模块均具备监控功能，可大幅度降低维护成本；具有过热、过热和过载保护等功能。 4.4蓄电池选型 在太阳能光伏发电系统中，蓄电池是不可或缺的重要组成部分之一，为提高系统的发电量，并保证其运行的稳定性，必须对蓄电池进行合理选择。根据测算，该太阳能光伏发电系统的平均发电量约为381kWh/天，据此可计算出系统的储能容量为573kWh。因此，可以按照60kW对储能功率进行配置。直流母线的电压为48V，采用12组铅酸蓄电池，为防止蓄电池漏液，在选型时，选用阀控密封型。通过查阅大容量储能系统的研究文献得知，蓄电池的连接方式应选用先并联、再串联，这样除了能够延长蓄电池的使用寿命之外，还能使其运行可靠性得到进一步提升。 4.5储能控制器选型 通常情况下，太阳能微网发电系统中的储能控制器，以5kW为单个设备进行配置，三个为一组，组成一个模块，每个模块共享一个蓄电池组。由于本系统建设在高原高寒地区，设备需要降容7%使用。同时，当系统处于离网运行的过程中，所带负荷的总功率为42kW。鉴于此，需要配置4个储能控制器模块，满足系统离网时的运行要求。 综上所述，高原高寒地区的特点，给太阳能发电系统的建设提供了有利条件，在此类地区上进行太阳能发电系统建设时，应当以混合型系统结构作为首选，同时，应采用光伏发电系统，并对其中的关键设备进行合理选型。这样可以确保系统的发电量满足使用需要。 参考文献： [1] 李中校.太阳能光伏发电系统在高原地区农村安全饮水工程中的应用[J].水利建设与管理，2017（3）：43- 44. [2] 李树成.太阳能光伏发电技术及其应用探讨[J].应用能源技术，2017（12）：123- 124. [3] 杨丽华.分布式风力-太阳能发电系统电能质量在线监测系统研究[J].仪表技术，2017（11）：109- 110. [4] 杨金强.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势初探[J].科技创新与应用，2017（11）：99- 101. [5] 胡尧，李勇，李子璇，罗梦，王福鼎等.西藏太阳能发电现状及未来发展研究[J].科技创新导报，2017（7）：87- 88. [6] 李阳，李东阜.太阳能发电在阿尔山景区监控及广播供电系统中的解决方案[J].电气技术，2018（9）：90- 92.
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