基于PVsyst的光伏系统研究.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueNov.2023Vol.46 No.222023年11月15日第46卷第22期0 引 言随着国家城市化进程的加速，能源消耗将愈来愈高。当前的建筑用能已达到了全国能源消耗总数的1 4以上，还将逐渐提高到1 3以上。能源危机、环境污染等社会问题的发现，使人们认识到节约资源的必要性。为了改善环境污染，节约能源，减少碳排放，国务院已明确提出“到2030年，使碳达峰；到2060年，实现碳中和”。因此，建筑节能与可再生能源的利用是近年来研究的重点。国内外学者针对太阳能光热转化和光电转化进行了大量研究。张飞等结合实际案例，分析了光伏发电系统在学校建筑中的应用优势1。孙二杰通过对光伏组件进行设计，研究了光伏发电系统在地铁站的适用性2。谭放分析了并网系统中存在的问题，并提出了分布式并网系统的应用策略3。任涛等通过分析P型和N型光伏组件的发电量数据，验证了 N型组件的优越性4。王仁明等提出一种混合 MPPT方案，利用拟合的方法寻找跟踪最大功率点5。张美玲等提出一种独立的光伏发电系统储能控制方法6。彭康等分析了分布式光伏发电系统DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.22.012引用格式：李俊平，王万江.基于PVsyst的光伏系统研究J.现代电子技术，2023，46（22）：6367.基于PVsyst的光伏系统研究李俊平，王万江（新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046）摘 要：基于PVsyst软件，以吐鲁番地区某民居为模拟对象，对当地的气象数据进行分析，并构建了一套安装在屋顶的光伏并网发电系统。对光伏并网系统的安装倾角进行优化，并对光伏组件进行选型，对系统损失进行分析。最后根据模拟结果，对影响系统发电效率的因素进行分析并提出了一些优化方案，以及得出吐鲁番地区 19.1 kW的光伏并网系统全年发电量为27.9 MWh，系统效率为80.9%，能量回收期为2.98年，每年可减少32 790 kg的CO2排放量，具有一定的环境效益；若按新疆光伏上网电价0.262元/（kWh）进行计算，每年还可带来7 309.8元的收入。该研究对实际光伏并网系统的设计施工具有一定的参考意义。关键词：PVsyst软件；光伏并网发电；损失分析；光伏组件选型；能量回收期；光伏发电效率；环境效益分析中图分类号：TN36634 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）22006305Research on PV system based on PVsystLI Junping,WANG Wanjiang(College of Architecture and Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China)Abstract：Based on PVsyst software,a residential house in Turpan region is used as a simulation object to analyze the local meteorological data and construct a PV(photovoltaic)grid connected power generation system installed on the roof.The installation inclination of the PV gridconnected system is optimized,and the PV modules are selected and the system losses are analyzed.According to the simulation results,the factors affecting the system power generation efficiency are analyzed and some optimization schemes are proposed,as well as the annual power generation capacity of the 19.1 kW PV gridconnected system in Turpan area is 27.9 MWh,the system efficiency is 80.9%,the energy payback period is 2.98 years,and the annual CO2 emission can be reduced by 32 790 kg,which has a certain environmental benefits.If the calculation is based on the Xinjiang PV feedin tariff of 0.262 RMB/(kWh),it can also bring an annual income of 7 309.8 RMB.The study has some reference significance for the design and construction of actual PV gridconnected systems.Keywords：PVsyst software;PV grid connected power generation;loss analysis;PV module selection;energy recovery period;PV power generation efficiency;environmental benefit analysis收稿日期：20230309 修回日期：20230419基金项目：新疆维吾尔自治区高校科研计划重点项目（XJEDU2019I006）6363现代电子技术2023年第46卷对电网的影响，并提出了电压调控的措施7。陶永虎对光伏发电系统的选型进行探讨，期望以最优配置提高光伏发电系统的发电能力8。陈海平等设计了一种新型的带有低倍聚光的太阳能光伏光热一体化系统，系统采用的是可以双面发电的型晶硅电池9。通过实验验证和数据模拟，证明了系统的光电、光热转换性能良好，在良好光照条件下，系统的光电转换效率在17.28%左右，光热转换效率在59.84%左右。王磊等通过分析代表地区的环境温度与逆变器工作温度的关系，研究了光伏组件与逆变器的最优配比10。朱芳等在建立传统太阳能光伏光热一体化系统光学仿真模型的基础上，提出了一种矩形的聚光式 PV/T 系统，通过数值模拟计算其光学效率和其他性能参数11。据计算，新型 PV/T 系统的光电转换效率可以达到 68.7%。C.Renno等通过理论分析，构建了一种可以实现热电联产的高聚光性的 PV/T 系统12。这种系统在进行光电转换时可以比线性菲涅耳得到更大的电能输出功率，同时得出其投资回收周期为8年左右。Zhang X等设计了一种光伏/循环热管热泵系统，对系统进行实验测试和仿真分析，并比较分析了实验测试结果和仿真数据13。实验结果表明，当太阳辐照为 600 W/m2，环境温度为 20 时，系统的热效率、电效 率、综 合 效 率 分 别 达 到 40%、10%、50%。C.J.Koroneos 等以加拿大某住宅为例，分析了太阳能热利用、太阳能光伏发电和土壤地热能利用的混合式热泵系统，验证了该技术的可靠性，且对该低碳排放系统的合理性进行了评价14。国内外学者对太阳能利用的研究主要集中在光伏光热一体化系统和光伏系统与热泵系统的耦合上，但结合实际案例分析的较少，且对其经济效益和环境效益分析较少。本文在分析吐鲁番气象数据的基础上，基于PVsyst软件，以吐鲁番某民居为模拟对象，从光伏组件选型、系统损失、发电效率、能量回收期、环境效益等多角度对光伏并网系统进行深入研究。1 吐鲁番的气候特征吐鲁番属大陆性暖温带荒漠气候，降水较少且大风频发，热量充足而又极为干旱，全年日照时数在 3 0003 200 h，比我国东部同纬度地区多约1 000 h，太阳年辐射量为 139.5150.4 kcal/cm2，比同纬度的华北、东北地区多1520 kcal/cm2，仅次于青藏高原15。1.1 吐鲁番气象数据分析图 1为全年总辐射统计结果。从图中得出：太阳总辐射最高主要集中在夏季，主要在49月，在9月2日达到最大为1 052.69 W/m2；在冬季略低，但大多在400 W/m2以上。太阳总辐射在冬季主要集中在10：0018：00，夏季主要集中在9：0019：00。图1 全年总辐射统计结果图 2 为全年直射辐射与散射辐射对比图。从图中分析得出：太阳直射辐射最大主要集中在2月和9月，最大值分别为1 247 W/m2和1 299 W/m2；全年辐射分布比较均匀，冬季主要集中在 10：0018：00，夏季主要集中在 7：0021：00。太阳散射辐射在冬季分布比较密集，在夏季较少；最大值主要出现在 3 月和 9 月，分别为523.39 W/m2和522 W/m2，冬季主要集中在10：0018：00，夏季主要集中在8：0020：00。图2 全年直射辐射与散射辐射对比图 3为最热月温度曲线。从图中分析得出，最热月为 7 月，最高温度可达 44.4，平均温度主要集中在35，最低温度为 22.5，最高温差可达 20.1。图 4为最冷月温度曲线。从图中分析得出，最冷月为 1月，最低温度为-13.9，平均温度主要集中在-5-10，最高温度为3.8，最高温差为11.8。64第22期图3 最热月温度曲线图4 最冷月温度曲线图 5为全年温度分布统计图。从图中分析得出，全年温度主要集中在 2530，零下温度出现的时间较短，为1 877 h，其余均为零上温度。图5 全年温度分布统计图1.2 吐鲁番气象数据总结通过对吐鲁番的气象数据进行分析发现，太阳能资源丰富，总辐射量大，主要集中在夏季，散射辐射在冬季比较密集；全年零下温度出现时间较短，高温时间长，最高可达 44.4。上述分析为在吐鲁番利用太阳能提供了一定的理论基础。2 模型建立与仿真运行本文模拟的对象选择在吐鲁番火焰山附近的村庄鄯善县吐峪沟乡潘家坎村某民居。建筑长 14.1 m，宽9.3 m，高约 3.6 m，总建筑面积约为 130 m2。建筑主要外围护结构为 370 mm 厚的多孔粘土砖+水泥砂浆抹灰，内墙为240 mm厚多孔黏土砖墙体，窗户为双玻塑钢窗。本文采用PVsyst 7.2版本的软件进行模型建立与分析，所用气象数据来源于MeteoNorm 8.0数据库。2.1 模型建立光伏并网系统可以直接与国家电网连接，当系统发电量过多时，会将过剩的电量直接输入国家电网；一旦系统发电量过少，就需要向国家电网购买电能，以供正常使用。此外，由于光伏并网系统不需要专门的储存电能的元件，所以建设、运营及维护成本都相对较低，因此本文模拟采用光伏并网系统。本设计采用固定朝向采光面的安装方式，基于年辐射量总量对系统进行优化。当方位角为 0，倾斜角为37时，相对于最优状态的损失为0，转换系数为1.19，采光面总辐射量为1 813 kWh/m2。2.2 逆变器的选型逆变器是将光伏面板所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置，它使转换后的交流电的频率、电压、波形等与电力系统交流电的频率、电压、波形等保持一致，适用于给各种设备供电、并网发电及交流供电的装置。逆变器在光伏发电系统中起着至关重要的作用，根据系统装机容量多少可分为组串式逆变器、集中式逆变器和微型逆变器。组串式逆变器普遍应用于中小型光伏电站，这类逆变器运行维护相对简单，因此导致故障损失的程度较低；另外，由于组串式逆变器的直流端具备最大功率跟踪功能，因此可以最大程度地提高发电量16。本文系统采用逆变器为 Aros 的 Sirio EVO 3000型，外形尺寸宽长高为 325 mm168 mm590 mm，具体参数见表 1。当逆变器在直流侧输入功率为 0.63 kW 时，转换效率为 97.1%；当逆变器直流侧输入功率小于0.6 kW时，转换效率便快速下降。2.3 光伏组件的选型本文系统光伏组件采用 Amso Solar的 P290 Wp 60 李俊平，等：基于PVsyst的光伏系统研究65现代电子技术2023年第46卷cells型，面积为1.627 m2，外形尺寸为1 640 mm992 mm35 mm，工作电压为 32.8 V，工作电流为 8.84 A，短路电流为 9.32 A，每块组件包含太阳能电池片 60 片，组件最大功率为 290 W，具体参数见表 2。光伏组件按照每11 块组件串联后接入逆变器，分 6 路组串输入，阵列共计接入 66 块组件，阵列最大功率为19.1 kW。但由于太阳能电池片工作温度的提高，光伏组件的转化效率也相应降低，组件在标准 25 环境温度下的最高转换效率为17.83%。表1 逆变器参数逆变器型号Sirio EVO 3000额定功率/kW3工作电压/V150720最大输入电压/V800MPPT路数1路组串输入数6路效率/%97.1表2 光伏组件参数组件型号P290 Wp60 cells组件功率/W290工作电压/V32.8组件数量/块66总占地面积/m2107安装形式固定倾角阵列功率/kW19.1组件效率/%17.832.4 系统损失分析光伏组件安装在屋顶，并假设周围无遮挡。在光伏系统设计完成后，需要对系统的损失进行设置。系统损失包括热损、线损、组件品质LID失配、污秽损失、失效度等，按照实际情况，由于组件安装在屋顶，空气流通良好，所以热损的恒定损失系数为29 W/(m2K)，风力损失系数为0；在线损中，直流电路默认为1.5%，交流电路为2.5%；在组件品质LID失配中，组件失配损失为 2.5%，光照射导致的衰减为 2.0%；在污秽损失中，设年度损失系数为 3.0%；在失效度中，失效时间占比为 2.0%，失效持续时间为7.3 d/a，失效发生次数为3次。3 仿真运行结果与分析光伏并网系统的理论装机容量为 19.1 kW，选择290 W 的组件、18 kW 的逆变器，反射率为 0.2，系统发电按照全额上网进行分析。采用 PVsyst软件进行光伏系统仿真设计，经计算得出该光伏并网系统的系统效率（PR 值）为 80.9%，安装首年系统的全年发电量为27.9 MWh，日均光伏阵列损失为0.71 kWh，日均发电量为3.99 kWh，日均系统损失为0.23 kWh。3.1 系统发电效率分析图 6 所示为系统效率统计图。影响光伏发电的最主要因素为太阳能辐射量、光伏组件的安装倾角、光伏组件的能量转化效率以及系统损失等，自然环境的影响在光伏并网系统实际使用过程中影响较大，其中光伏组件的温度是影响系统发电特性的主要因素之一。图6 系统效率统计图从图 6分析得出，在 68月，由于环境温度的上升导致系统输出功率损失和电压损失，系统效率较低。在实际情况下，可以合理地设计光伏发电充放电控制器，及时准确地跟踪电压和功率的波动，发挥光伏发电组件的最大性能；也可通过光伏组件与热泵耦合的方式及时对光伏组件降温，并实现热量的合理利用。3.2 系统环境效益分析假设不考虑光伏并网系统安装、运行和设备回收环节的能耗，则光伏并网系统全寿命周期内的总能耗为生产制造能耗、运输能耗和耗材能耗之和。光 伏 并 网 系 统 全 寿 命 周 期 内 生 产 制 造 能 耗 为3 573 kWh/kW，耗材能耗为 737 kWh/kW，运输能耗为 29 kWh/kW，可知光伏并网系统全生命周期的总能耗17为 4 339 kWh/kW。光伏并网系统全生命周期内的能量回收期可利用以下公式进行计算：EPT=LCERPGa（1）式中：EPT 为能量回收期；LCE 为全生命周期内的总能耗；RPGa为光伏系统年发电量。根据公式（1）可得，光伏并网系统全生命周期内的EPT为4 339 1 455=2.98年。一般光伏系统的运行寿命在 20年以上，而 2.98年远远低于光伏系统寿命周期的20 年，也就是说 2.98 年以前所产生的电能能够抵消光伏系统整个生命周期内消耗的能量，2.98年之后产生的均为纯产出电能。根据 PVsyst 仿真结果分析，19.1 kW 的光伏并网系统年均发电量为 27.9 MWh，可减少 CO2排放量为32 790 kg。如果按照新疆光伏上网电价0.262元/(kWh)进行计算，吐鲁番地区 19.1 kW 的屋顶光伏并网系统一年的总收入为7 309.8元。66第22期4 结 论光伏并网系统既可以实现在太阳能丰富的情况下，将多余的电量上传到国家电网，又可以实现在发电量不足的情况下，向国家电网购买电能，保证用电正常。光伏并网发电系统具有一定的经济及环境效益，是未来能源利用、发展的一种趋势。本文采用 PVsyst软件，以吐鲁番鄯善县吐峪沟乡潘家坎村某民居为模拟对象，构建了光伏并网系统，分析得出以下结论：1）吐鲁番地区的光伏并网系统在 68 月的发电效率较低，这主要是因为温度对光伏组件的发电效率影响较大，可以通过合理设计光伏发电系统的充放电控制器实时追踪电压及功率波动，或者通过与热泵耦合，使光伏系统的发电效率得以提高。2）光伏并网系统的能量回收期为 2.98 年，2.98 年之内就可以抵消光伏并网系统全生命周期内消耗的能量，2.98年之后产生的电能均为纯产出能量。3）在吐鲁番地区，19.1 kW的光伏并网系统全年的发电量为 27.9 MWh，系统效率为 80.9%，每年可减少32 790 kg 的 CO2排放量，具有良好的环境效益。若按新疆光伏上网电价 0.262 元/(kWh)进行计算，光伏系统一年能带来的总收入为7 309.8元。4）对光伏并网系统的损失进行分析，对系统的安装倾角进行优化，以获得最大的发电量，为实际光伏并网系统的施工提供了一定的参考。本文也存在一定的不足，比如未对光伏并网系统的初投资及运行成本进行详细的计算分析，未进行系统回收期的分析，后续还需在这方面进行深入的研究与可行性分析。注：本文通讯作者为王万江。参考文献1 张飞，宋辉辉.光伏发电系统在学校建筑中的应用研究J.中华建设，2023（3）：114116.2 孙二杰.光伏发电系统在济南地铁 1号线高架车站的应用J.太阳能，2023（2）：1319.3 谭放.分布式光伏发电系统的并网技术应用分析J.城市建设理论研究（电子版），2023（6）：7981.4 任涛，韩一峰，韩硕，等.n型高效光伏组件发电性能研究J.太阳能学报，2022，43（12）：1318.5 王仁明，张铭锐，鲍刚，等.基于拟合反演滑模方法的光伏系统MPPT控制J.太阳能学报，2023，44（8）：224231.6 张美玲，梁中豪，杨艳芳，等.用于独立光伏发电系统的混合储能控制方法J.电力电子技术，2022，56（10）：108111.7 彭康，胡楠，孙溢，等.分布式光伏发电与储能对电网的影响分析J.电子技术，2022，51（10）：182183.8 陶永虎.光伏发电系统设备选型和应用分析J.光源与照明，2022（8）：6567.9 陈海平，张衡，刘皓文，等.低倍聚光光伏/光热热电联供系统性能分析J.热力发电，2018，47（4）：116122.10 王磊，石家瑞，吴源鑫，等.基于光伏系统可靠性的组件与逆变器最优容配比研究J.太阳能学报，2021，42（12）：498504.11 朱芳，杜斌，蒋川，等.矩阵型聚光光伏光热一体化系统设计与分析J.太阳能，2015（5）：4246.12 RENNO Carlo,PETITO Fabio.Design and modeling of a concentrating photovoltaic thermal(CPV/T)system for a domestic application J.Energy and buildings,2019,62(3):392402.13 ZHANG X,ZHAO X,XU J,et al.Characterization of a solar photovoltaic/loop heatpipe heat pump water heating system J.Applied energy,2020,102(2):12291245.14 KORONEOS C J,NANAKI E A.Environmental impact assessment of a ground source heat pump systein Greece J.Geothermics,2017,65:19.15 刘巧婧.吐鲁番市大气颗粒物污染特征与来源分析D.杭州：浙江大学，2019.16 杨记鑫，胡伟霞，赵杰.基于PVsyst的家用并网光伏系统优化研究J.电工技术，2021（16）：3537.17 商佳棋，杨旭，陈颖，等.基于 PVsyst的既有建筑光伏一体化系统仿真与优化J.能源研究与管理，2021（2）：130134.作者简介：李俊平（1996），男，陕西渭南人，硕士，研究方向为建筑节能与可再生能源。王万江（1965），男，新疆乌鲁木齐人，教授，研究方向为建筑节能。李俊平，等：基于PVsyst的光伏系统研究67