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）

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N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3 000～3 200 h，比我国东部同纬度地区多约1 000 h，太阳年辐射量为139.5～150.4 kcal/cm2，比同纬度的华北、东北地区多15～20 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4—9 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10：00—18：00，夏季主要集中在9：00—19：00。

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10：00—18：00，夏季主要集中在7：00—21：00。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10：00—18：00，夏季主要集中在8：00—20：00。

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 ℃。

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25～30 ℃，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 kW·h/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 mm×168 mm×590 mm，具体参数见表1。当逆变器在直流侧输入功率为0.6～3 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 cells型，面积为1.627 m2，外形尺寸为1 640 mm×992 mm×35 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2 光伏组件参数

2.4 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/(m2·K)，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 MW·h，日均光伏阵列损失为0.71 kW·h，日均发电量为3.99 kW·h，日均系统损失为0.23 kW·h。

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。

从图6 分析得出，在6—8 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 kW·h/kW，耗材能耗为737 kW·h/kW，运输能耗为29 kW·h/kW，可知光伏并网系统全生命周期的总能耗[17]为4 339 kW·h/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：

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 MW·h，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/(kW·h)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。

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6—8 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 MW·h，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/(kW·h)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。