户用离网光伏发电系统技术探索

户用离网光伏发电系统技术探索

李政

上海正泰电源系统有限公司上海201614

摘要：

户用离网光伏发电系统是一种把光能转化为电能的一种独立供电系统，主要解决了无电地区居民的供电问题。把传统的多种部件高度集成，并且通过科学的设计和归纳，提出了标准化的系统解决方案，同时加装过了远程智能监控功能。通过多种手段，把传统复杂的离网系统变成标准化的系统化产品，大大降低了客户的选择和安装难度，提升了系统可靠性和易用性，为户用离网系统的大规模普及创造了条件。

关键词：

户用离网光伏发电系统，离网标准系统，远程智能监控

系统概述：

离网光伏发电系统是基于光伏效应把光能转化为电能的一种独立供电系统。他可以不依托电网，解决广大无电地区的供电问题。传统的离网光伏发电系统主要由如下几部分构成：太阳能电池组件、光伏控制器、离网型逆变器、储能蓄电池，电气开断保护器件、电缆、安装附件。

系统开发背景

离网型光伏发电系统广泛应用于偏远地区、海岛、通讯基站和路灯等无电地区或者电网不稳定地区，主要在亚洲，非洲和拉美地区有着大量的需求。根据国际能源署最新发布的能源可及性展望报告（EnergyAccessOutlook），2000-2015年间发展中国家共有1.65亿无电人口用上了电，其中6400万人的通电就是靠的光伏等可再生能源发电。根据目前的投资规划，预计到2030年仍然有6.74亿人无电人口，主要集中在非洲。离网光伏发电系统将会有广阔的应用前景。

目前行业内的主流厂家主要集中在部件供应商领域，由第三方单位进行系统的设计和集成，而且由于无电地区的经济较为落后，标准不严等原因，造成离网光伏发电系统的主要设备的质量和系统集成方案的成熟度方面参差不齐，而且大部分都属于较低的水平，制约和限制了离网光伏发电系统的推广和普及。

系统开发目标及主要解决的问题：

基于目前离网光伏发电系统行业的现状和主要存在的问题，本次开发所涉及的离网光伏系统，主要聚焦在无电人口的户用离网光伏供电系统，装机容量在1kw到5kw范围之内，能够满足无电地区不同家庭的供电需求，同时解决设备分散、系统设计不合理、系统运行不可靠、运维困难等问题，提供集成化、标准化、智能化的户用离网光伏发电系统解决方案。

系统设计重点：

1.部件技术性能指标

根据行业现状和技术发展趋势，确定主要部件的技术要求：

1.1光伏组件

光伏组件目前有三种，分别是多晶硅组件，单晶硅组件和薄膜组件。薄膜组件主要适用于一体化幕墙等对于透光有要求的场合，由于其效率比较低，成本较高，不适合离网光伏系统。单晶硅组件的效率稍高，适合于对安装面积受限，安装总容量较高的项目，但是价格稍贵。多晶硅组件是目前较为主流的组件型式，性价比高，而且多晶硅的组件的首年LID光致功率衰减以及稳定运行衰减都较小，常规项目优先推荐多晶硅组件。

随着时间的发展和技术的进度，多晶硅组件和单晶硅组件的单片功率和效率更新换代进步很快，为了保证组件能够在20年内持续可靠的为用户提供电能，在选择组件功率时，应按照当时的市场行情选择主流规格A级组件，并且不宜选择降级组件和回收组件。

1.2光伏充电控制器

离网光伏充电控制器目前市场上主要有脉冲宽度调制型（PWM）和最大功率跟踪型（MPPT）两种。相比较而言，MPPT型具有效率高，输入电压范围宽的优势优先推荐使用于离网光伏发电系统中。光伏控制器的主要参数包括光伏输入电压范围、光伏输入功率、输出电压，充电电流等。根据不同的系统方案选择合适的产品规格，其中光伏输入电压范围宽的产品可以减少组件并联的数量，降低系统成本，优先推荐。

1.3离网逆变器

目前市场上有两种类型的离网逆变器，分别是工频逆变器和高频逆变器。目前高频型逆变器主要是中小功率为主，一般从几十瓦到几千瓦。其原理是首先通过高频DC/DC变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电；然后经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成高压直流电；最后通过工频逆变电路得到220V工频交流电供负载使用。工频逆变器首先把直流电逆变成工频低压交流电；再通过工频变压器升压成220V，50Hz的交流电。

两种逆变器比较而言，工频逆变器效率较低，体积较大，重量较重，但是其结构简单，稳定可靠，带感性负载能力较强。两种逆变器各有优劣，在户用离网逆变器的选型上需要综合考虑。

1.4储能蓄电池

目前光伏行业主流的储能蓄电池大概分为3大类：常规铅酸电池、胶体电池和锂电池。常规铅酸电池的低温特性较差，能量密度较小，使用寿命较短。胶体电池一般是免维护，低温特性较好，能量密度较大，使用寿命较长，安全稳定。锂电池成本较高，耐低温性能较差，能量密度最高，使用寿命最长。根据户用离网系统的主要应用场合特性，所选择的的蓄电池应该具有如下特性：较高的循环充电寿命、安全稳定可靠和免维护。

本次设计的户用离网系统优先择胶体蓄电池。胶体蓄电池的关键的性能指标有蓄电池容量和电压，蓄电池电压主要有2V和12V两种，户用离网系统总蓄电池容量较小，本次采用12V蓄电池，可以大大减少蓄电池串联数量。蓄电池随着单节容量的增加，其重量也相应的线性增加，选择蓄电池时尽量不要选择过大的单节容量，以免安装和维护时带来不便以及人工成本的增加。根据相关经验，单人搬运的设备建议设置在40KG以下，两人搬运的设备重量在70kg以下。

2.高度集成化和模块化，现场安装使用便利

传统的离网光伏发电系统有光伏组件、控制器、逆变器、配电部分、蓄电池等至少5个独立的部件组成，而且彼此之间的电气和通讯连接需要现场施工队伍具有较强的电气基础知识，而且离网系统的适用场合多数在贫穷落后的无电地区，找寻专业的施工队伍非常不便，给离网系统的大规模普及带来困难。

本次开发的户用离网光伏系统的主要特点就是高度集成化，整个系统一个统一包装，并且分为光伏组件和离网电源柜两大部分，在工厂内部将控制器，逆变器，配电部分，蓄电池和通讯监控模块等都集成到一台或多台标准化机柜中，避免了客户现场的大量电气连接工作，提高了现场安装便捷性和产品可靠性，大大有利于产品的大规模推广和普及。

3.产品系列标准化

传统的离网光伏发电系统是基于现场气象条件、负载特性、客户要求等多种因素的客户定制化方案，对于客户来说在需求和产品之间必须要经过第三方的机构来进行信息汇总、方案设计、产品选型。客户的信息不对称，产品不够直观。

本次论述的户用离网光伏系统参考了不同地区的气象条件，典型用户的负载使用特性，合理定制标准化系统方案，分别满足不同客户的用电需求，分别为1kw-5.76kwh、3kw-17.28kwh和5kw-23kwh。每套系统都是一个完整的包装，方便客户根据自己的需求选择合适的产品。

4.远程智能监控

传统的离网系统一般依靠控制器和逆变器自带的显示屏进行数据信息显示，并具备最简单的声光报警功能。保护功能一般包括蓄电池过冲保护，蓄电池过放保护，过载保护和短路保护等。基本可以实现自立运行。但是系统存在故障时，经常会发生故障不能及时排除，用户错误操作等问题。在使用中故障率较高，故障一般较为严重，客户体验较差。

随着远程通信技术的进步，户用离网系统与远程监控系统的完美结合是一种趋势。通过使用标准的通讯规约和GPRS数传模块将本地的系统信息上传到远程的云端服务器，然后终端客户或者运维人员通过网页或者手机APP查看设备信息，实现远程监控和智能报警功能，不止能在故障发生后减少维护反应时间，甚至能对常见故障进行预判，保证系统的稳定可靠运行和提升客户体验，对于离网光伏系统的大规模普及创造了条件。

总结：

提升系统可靠性、易用性是其核心出发点，集成化、标准化和智能化是其显著特点，户用离网光伏系统的探索和开发为解决世界范围内的无电人口的供电问题具有非常重要的意义，为户用离网系统的大规模应用和普及创造了条件。