基于TRNSYS的光伏发电在农村地区应用分析.pdf

第31卷2023年第9期农村电工乡村能源能源技术NONGCUN DIANGONG主持：杨留名基于基于基于TRNSYSTRNSYSTRNSYS的光伏发电的光伏发电的光伏发电在 农 村 地 区 应 用 分 析在 农 村 地 区 应 用 分 析在 农 村 地 区 应 用 分 析（221018）徐州徐工挖掘机械有限公司冯涛王飞张孝天1应用背景我国拥有大量的民用建筑屋顶资源，屋顶光伏发电前景十分广阔，将光伏发电应用到农村地区，既能够提高农民收入，又能够提高太阳能利用规模，对于我国光伏发电产业发展也具有积极促进作用。但独立光伏发电系统设备采购成本较高，加之管理经验不足，阻碍了太阳能与建筑一体化进程。本文通过搭建光伏发电试验平台，选取春分、夏至、秋分、冬至对光伏发电系统进行试验研究，分析其发电量及发电效率影响因素，并基于 TRNSYS对光伏发电系统进行建模，模拟其运行特性，对系统规模化建设运行与成本回收进行分析，论证其经济效益及发展前景，供参考。2试验平台搭建试验平台采用的光伏板面积为 2.5 m2，试验平台在徐州农村地区搭建，位于东经 117、北纬 34。所建光伏试验平台如图1所示，试验平台由光伏组件、逆变器、并网箱和线束组成，其光伏板参数设定值如表1所示。徐州地区为亚热带季风气 候，夏 季 室 内 平 均 温 度 为28，相对湿度为50%；冬季室内平均温度为 12，相对湿度为40%。对于光伏发电系统来讲，Usc-Isc曲线代表光伏发电的输出特性，反映光伏发电效率。发电效率1可表示为太阳能光伏板实时输出功率与接收太阳辐射强度的比值，如式（1）所示：1=UscIscGAsc（1）式中，1为光伏发电效率；Usc为负载电压，单位 V；Isc为负载电流，单位 A；G为太阳辐射强度，单位W/m2；Asc为光伏板面积，单位m2。3试验结果分析选取春分、夏至、秋分和冬至作为典型日，试验研究光伏发电系统发电量。春分时，当日最低气温为5.2，最高气温为14.8，平均气温为7.5，日照时间为 7.1 h，发电量为 2.08 kWh；夏至时，当日最低气温为19.1，最高气温为32.4，平均气温为26.4，日照时间为10.2 h，发电量为3.17 kWh；秋分时，当日最低气温为15.2，最高气温为25.1，平均气温为20.1，日照时间为9.3 h，发电量为2.86 kWh；冬至时，当日最低气温为 1.3，最高气温为 10.2，平均气温为5.7，日照时间为8.0 h，发电量为2.41 kWh。光伏板倾角对发电效率的影响、光伏板倾角对输出功率的影响、环境温度对发电效率的影响、风速对发电效率的影响曲线如图2光伏板发电性能影响因素图所示。由图2（a）光伏板倾角对发电效率的影响、图2（b）光伏板倾角对输出功率的影响可知，当风速为3.2 m/s，环境温度为16.5 时，随着光伏板倾角不断增大，发电效率呈现出先下降后上升的趋势，输出电功率呈现出先增加后下降的趋势。当倾角为 34时，发电效率为17.8%，输出电功率为119.2 W。当倾角为45 时，发电效率最低，为17.6%，输出电功率最高，为122.3 W。由图2（c）环境温度对发电效率的影响、图2（d）风速对发电效率的影响曲线可知，当风速为3.2 m/s，倾角为34时，环境温度对发电效率的影响是线性的，温度越高，图1光伏试验平台光伏组件逆变器并网箱参数光伏板面积/m2光伏板倾角/峰值功率/W工作电压/V工作电流/A开路电压/V光伏板效率/%温度适用范围/设定值2.53430032.59.838.218.3-4075表1光伏板参数设定值“绿色发展绿色发展 推动农村能源技术革命推动农村能源技术革命”专题专题16.016.517.017.518.018.519.016.4%16.8%17.2%17.6%?光伏板发电效率环境温度/发电效率20304050607017.6?17.8?18.0?18.2?18.4?(c)环境温度对发电效率的影响3.54.04.55.017.8?18.0?18.2?18.4?18.6?18.8?光伏板发电效率风速/（m/s）发电效率20304050607017.6?17.8?18.0?18.2?18.4?(d)风速对发电效率的影响203040506070110115120125?/W?/?光伏板倾角/输出功率20304050607017.6?17.8?18.0?18.2?18.4?光伏板输出功率W(b)光伏板倾角对输出功率的影响20304050607017.6?17.8?18.0?18.2?18.4?光伏板倾角/发电效率20304050607017.6?17.8?18.0?18.2?18.4?光伏板发电效率(a)光伏板倾角对发电效率的影响图2光伏板发电性能影响因素图31农村电工第31卷2023年第9期乡村能源能源技术主持：杨留名NONGCUN DIANGONG发电效率越低，当温度从16.5 上升至19.5 时，发电效率从17.8%线性下降到16.2%；随着风速的增加，温度下降，发电效率则会上升，风速从3.2 m/s 增大至5.2m/s时，发电效率从17.8%上升至18.6%。4规模化应用分析4.1光伏发电系统TRNSYS模型试验平台采用的光伏板面积为 2.5 m2，只是为了研究发电性能，并不适合实际应用。所以在推广到实际工程中时，光伏板面积增大为25 m2，增加蓄电池，当光伏板不能满足用电需求时，蓄电池互补供电。此外，将发电系统接入市电，多余电能供入电网，不足时则由电网补给。本文基于TRNSYS对光伏发电系统建立如图3所示基于TRNSYS的光伏发电系统模型。模拟对象为徐州地区某农村平房，设有主卧、次卧、走廊和厕所等，建筑层数为 1层，总面积为 120 m2，空调器使用面积为24 m2，层高为3.4 m，墙厚0.24 m，窗墙比0.3，日用电量为20 kWh。将光伏板安装于屋顶，充分利用建筑面积，实现太阳能与建筑一体化。平房的围护结构传热系数如表2所示。光伏发电并网就是将光伏发电系统发出的直流电经过并网逆变器转换成符合市电要求的交流电之后接入电网。分散式并网发电系统，特别是太阳能与建筑一体化发电系统，是并网发电的新兴模式。光伏发电系统主要包括主设备和控制器，主设备包括光伏板、蓄电池、逆变器等；控制器包括日工作时间、温度检测器等，其中还有天气数据传递和数据处理等部件。在 TRNSYS 系统中，光伏板共有 19 个输入参数，包括光伏板面积、光伏板倾角、峰值功率、工作电流和工作电压等。输入变量共有8个，主要是环境温度、控制信号、太阳辐射总量等。输出变量主要是输出电流、输出电压、输出功率及功率损耗等。蓄电池共有5个参数，包括运行模式、电池容量、电池电流及电池电压等。输入变量共1个，即注入电池正负号，从而确定电流流向。输出变量主要是输出功率、输出电流及输出电压等。逆变器共有10个输入参数，包括电流性质、电压性质、功率峰值、转化效率等。输入变量共有 12个，主要是输入电流、输入电压、输入功率、过载保护等。输出变量主要是输出电流、输出电压、输出功率及功率损耗等。为获取最大太阳辐射总量，光伏板倾角与徐州地区纬度一致，为34。控制器主要是控制光伏板启停，是系统运行的发起者，控制器开，系统运行；控制器关，系统关闭。控制器开、关由日运行时间和温度检测器共同决定。日工作时间是从上午8时到下午5时启动，温度检测器监测环境温度及光伏板表面温度。考虑到系统运行经济性，当阴雨天或太阳辐射强度较低时，启动系统并不能带来能量增益，故不运行。当光伏板表面温度超出或低于允许值时，启动高温、低温保护。当光伏板不能满足用电需求时，蓄电池互补供电，光伏蓄电池控制器控制运行。将光伏发电量接入市电系统，光伏发电系统可以根据输入的徐州地区天气数据、发电量及用户电负荷等参数，实现将多余电量传入电网，不足时则由电网系统补充。4.2模拟结果及分析设定运行时间为 1年，得到如图 4 所示的光伏发电系统全年运行性能图。模拟结果显示，系统全年发电效率 为 17.19%。从 1 月到 5 月，受气象条件影响，系统发电效率波动明显；夏季太阳辐射量较多，发电效率较高；从9月到12月，太阳辐射逐步减弱，发电效率降低明显。光伏发电系统发电量与发电效率趋势相同，全年发电总量为11 909.27 kWh。在平房安装光伏板，与建筑一体化供能，由于现阶段的光伏发电系统技术不完善，一般10年利用率约为90%，15年利用率约为80%，故经计算可知，15年平均年发电量大约为14.29万kWh。不考虑光伏发电系统投资成本及储能支出，徐州农村地区电价为 0.528 3元/kWh，若将平房光伏板每年发出的电量全部用来接入电网，则每年获利约0.5万元，系统的总造价为2.5万元，运行5年即可收回成本。所以，光伏发电系统具有良好的经济效益和发展前景。2023-06-21收稿图3基于TRNSYS的光伏发电系统模型光伏板控制器温度监测器用户电负荷日运行时间徐州天气太阳辐射光伏板蓄电池蓄电池控制器微电网逆变器市电电网补能“绿色发展绿色发展 推动农村能源技术革命推动农村能源技术革命”专题专题02468101216.416.817.217.618.0?/%?发电效率02468101216.416.817.217.618.0?/%?月份光伏板发电效率02468101216.416.817.217.618.0?/%?%(a)光伏板全年发电效率02468101280085090095010001050110011501200?/kWh?月份发电量/kWh(b)光伏板全年发电量图4光伏发电系统全年运行性能图项目传热系数外墙0.3窗1.2内墙1.0地面0.4门1.8表2平房的围护结构传热系数单位：W/（m2K）32