李永華，袁 超，蒲 亮

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、日本的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域從航天、國(guó)防、工業(yè)轉(zhuǎn)向了民用。德國(guó)的“百萬屋頂計(jì)劃”使許多家庭不僅利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電解決了自家供電，而且這些家庭還辦成了私人的“小型電站”，能夠源源不斷地向公用電網(wǎng)輸送電能。我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢(shì)。2011年8月1日，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于完善太陽(yáng)能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，明確規(guī)定7月1日前后核準(zhǔn)的光伏發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)分別為1.15元/kW·h和1元/kW·h，這標(biāo)志著國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電商業(yè)化時(shí)代的開啟，極大地拉動(dòng)了國(guó)內(nèi)光伏發(fā)展[1]。

而繼2012年國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)分布式光伏發(fā)電支持政策之后，2013年2月27日，國(guó)家電網(wǎng)公司在京召開“促進(jìn)分布式電源并網(wǎng)新聞發(fā)布會(huì)”，向社會(huì)正式發(fā)布《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，進(jìn)一步將示范范圍擴(kuò)大到天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能等新能源形式。這意味著，普遍用戶今后不但能用太陽(yáng)能、天然氣等新能源發(fā)電裝置給自己家供電，還可以將用不完的電賣給電網(wǎng)，中小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電迎來了大力發(fā)展的時(shí)代[2]。

本文以此為研究背景，介紹了光伏發(fā)電的基本原理。為了能夠更直觀地了解中小型光伏發(fā)電(主要針對(duì)家庭屋頂式太陽(yáng)能光伏發(fā)電)系統(tǒng)的成本與收益問題，對(duì)中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了一些參考。

1 光伏發(fā)電基本原理

太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是由半導(dǎo)體材料組成PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光子照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，并受由摻雜的半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)電場(chǎng)的吸引，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)。如果將外電路短路，則在外電路中就有與入射光通量成正比的光電流通過[3]。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子——空穴對(duì)越多，電流越大;界面層吸收的光能越多，界面層 (即電池面積)越大，在太陽(yáng)能電池中形成的電流也越大。

當(dāng)受光照射的太陽(yáng)能電池接上負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓，這時(shí)太陽(yáng)能電池的工作情況可用圖1所示等效電路來描述[4]。

圖1 PN結(jié)太陽(yáng)能電池等效電路圖Fig.1 PN-junction solar cell equivalent circuit diagram

圖1中，IL為將太陽(yáng)能電池視為穩(wěn)定電流源所產(chǎn)生的光電流;Rsh為與太陽(yáng)能電池并聯(lián)的電阻(也稱跨接電阻);Rs為串聯(lián)電阻。二極管的正向電流Id滿足:

式中:I0為無光照下二極管飽和電流;q為電子電荷;A為導(dǎo)帶電子濃度。

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載R的電流為I，負(fù)載的端電壓為U時(shí)，由圖1可得電池的輸出特性[5]:

圖3 中小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Small and medium solar PV system diagram

式中:P為太陽(yáng)能電池被照射時(shí)，在負(fù)載R上得到的輸出功率。

當(dāng)負(fù)載R從0變到無窮大，即可得到圖2所示太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線。

轉(zhuǎn)換效率是在外電路中連接最佳負(fù)載電阻R時(shí)，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率。在最佳外電阻下，電池輸出電流、電壓對(duì)應(yīng)的電池最大輸出功率Pmax，即圖2所示的M點(diǎn) (最佳工作點(diǎn))所對(duì)應(yīng)的輸出功率。

圖2 太陽(yáng)能電池的負(fù)載特性曲線Fig.2 Load characteristics curve of solar cells

最大輸出功率與 (Uoc×Isc)之比稱為填充因子，記為 FF。設(shè)電池開路電壓 Voc、短路電流 Isc。[6]

式中:At為太陽(yáng)能電池總面積;Pin為面積入射光功率。

不同工作溫度對(duì)效率有影響，隨溫度升高，各種太陽(yáng)能電池的效率均要下降[7]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析建模

2.1 物理模型

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由太陽(yáng)能電池方陣、控制器和逆變器等組成[8]，如圖3所示。

圖3中，太陽(yáng)能電池方陣是指由多個(gè)太陽(yáng)能組件互聯(lián)拼裝后成為可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率的方陣，而太陽(yáng)能組件又是由多個(gè)單體太陽(yáng)能電池互聯(lián)封裝而成。

控制器的主要功能是使太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。另外光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器還具有下列功能:第一、狀態(tài)和參數(shù)檢測(cè)。第二、蓄電池的充、放電控制。充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)。第三、設(shè)備的保護(hù)及設(shè)備故障診斷的定位。第四、運(yùn)行狀態(tài)指示。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)，又能跟蹤太陽(yáng)移動(dòng)參數(shù)的“向日葵”式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

蓄電池組是將太陽(yáng)電池方陣發(fā)出的直流電貯存起來，供負(fù)載使用。白天太陽(yáng)能電池方陣給蓄電池充電，同時(shí)方陣還給負(fù)載用電，晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時(shí)還要考慮價(jià)格和使用是否方便等因素。

逆變器的作用是將太陽(yáng)能電池方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220 V或380 V交流電，供給交流負(fù)載使用。逆變器按照運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。

2.2 數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能光伏電池陣列的總功率是由輻射參數(shù)和負(fù)載確定的。但是，實(shí)際輸出功率還與陣列表面的灰塵及長(zhǎng)期使用后性能的衰減系數(shù)f、蓄電池庫(kù)侖效率ηb及逆變器的效率ηi有關(guān)。在綜合考慮上面因素的情況下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量如下式所示:

式中:Hy為年有效發(fā)電量，kW·h/年;W為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)總的峰值功率，W;ηb為蓄電池庫(kù)侖效率，0.8～0.92;ηi為逆變器的效率，0.9～0.96;f為衰減及灰塵等性能參數(shù)衰減系數(shù)，0.8～0.98;η為太陽(yáng)能陣列輸出的峰瓦功率轉(zhuǎn)換成交流功率的總效率，0.6～0.87;DT(y)為年峰值日照時(shí)數(shù)[9]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的總投資為:

式中:W為光伏電池陣列的峰值功率;C0為光伏電池每瓦價(jià)格;A1為蓄電池相對(duì)于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.15～0.7;A2為控制器、逆變器相對(duì)于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.15～0.5;A3為支架、電纜等輔助設(shè)施相對(duì)于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.05～0.25;A4為其他費(fèi)用 (施工、運(yùn)輸?shù)?相對(duì)于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.05～0.15;A為光伏電池陣列以外的總投資系數(shù)，即

光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位 (電量)運(yùn)行費(fèi)用如下:

式中:OM為光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位 (電量)運(yùn)行費(fèi)用，元/kW·h;α相對(duì)于光伏電池陣列的運(yùn)行費(fèi)用系數(shù)，0.005～0.015;n為有效使用年限，一般n=20年。

2.3 實(shí)例計(jì)算與分析

2012年中國(guó)煤炭消費(fèi)量比上年增長(zhǎng)2.5%;原油消費(fèi)量增長(zhǎng)6.0%;天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)10.2%;電力消費(fèi)量增長(zhǎng)5.5%。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù)計(jì)，中國(guó)煤炭消耗量到2014年將占全球煤炭需求量的50%。加之環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，綜合考慮，家庭式屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電還是具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值的，而國(guó)家更應(yīng)加大力度以提高“屋頂太陽(yáng)能計(jì)劃”的實(shí)施[11]。

從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、易擴(kuò)展性等因素綜合考慮，設(shè)計(jì)中小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，光伏組件優(yōu)先選取晶硅組件。而就市場(chǎng)價(jià)格而言，單晶硅組件的價(jià)格最高，其次為高效多晶組件和多晶組件?？紤]性價(jià)比及設(shè)計(jì)目的，中小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是家庭式屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，選用多晶組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件。設(shè)計(jì)選用型號(hào)SYK240－30P外形尺寸為1 640 mm×992 mm×50 mm，單組最大功率為240 W的多晶硅太陽(yáng)能發(fā)電板，市場(chǎng)價(jià)格大約是5～6元/W，基本參數(shù)如表1所示。

太陽(yáng)能光伏電池的年發(fā)電量不但與輻射能量有關(guān)，而且與日照時(shí)數(shù)有關(guān)。但是，氣象臺(tái)站給出的實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)是不同輻射強(qiáng)度下累加值，而光伏電池陣列輸出功率——峰瓦是在AM1.5，光伏電池溫度25℃，日照強(qiáng)度1 000 W/m2條件下的測(cè)試結(jié)果。因此，要把年實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)換算成年峰值日照時(shí)數(shù)。

表1 設(shè)計(jì)選用的多晶硅太陽(yáng)能電池板組件技術(shù)參數(shù)Tab.1 Design selection of poly solar panel components technical parameters

我國(guó)年太陽(yáng)輻射總量及年日照數(shù)大致可以分為5大類，見表2。本實(shí)例依照第三類太陽(yáng)輻射光照時(shí)間，即5 h/d計(jì)算。

由于系統(tǒng)需在連續(xù)沒有太陽(yáng)能補(bǔ)充能量的情況下正常供電，所以需要選取經(jīng)濟(jì)又合適的蓄電池。假設(shè)在沒有太陽(yáng)能補(bǔ)充能量的情況下要求系統(tǒng)正常工作5～7天，用電器滿負(fù)荷工作時(shí)間4 h/d，設(shè)計(jì)選用規(guī)格為12 V型號(hào)為150 AH的鉛酸免維護(hù)式蓄電池。

初步計(jì)算可得一個(gè)家庭屋頂式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的初投資如表3所示。

根據(jù)國(guó)家對(duì)屋頂式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)貼規(guī)定:離網(wǎng)光伏項(xiàng)目的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)是7～8元/W。2012年度的“金太陽(yáng)示范工程”新的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)，財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局財(cái)建〔2012〕21號(hào)文件規(guī)定，并網(wǎng)項(xiàng)目如采用晶體硅組件可獲得9元/W的補(bǔ)貼。補(bǔ)貼會(huì)在項(xiàng)目申報(bào)結(jié)束且發(fā)電系統(tǒng)驗(yàn)收成功后一次性發(fā)放。計(jì)算得補(bǔ)貼大約為50%的光伏系統(tǒng)成本。所以初步得初期投資由5.66萬元大約可以縮減為3.6萬元。系統(tǒng)綜合效率:74%，系統(tǒng)年發(fā)電量4 492.8 kW·h，系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用:約占初投資的0.43%，即243.38元。如享受上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)1元/kW·h，按每度1元的價(jià)格賣給電網(wǎng)，則年收益4 315.64元。綜合考慮可得大概用7年左右的時(shí)間收回成本，一般太陽(yáng)能電池板的壽命是20～25年，而如果有第二期投資，第二期工程只需更換出問題的太陽(yáng)能電池板即可。所以分析可得中小型屋頂式太陽(yáng)能光伏發(fā)電還是有投資的可行性的;但項(xiàng)目的凈利潤(rùn)不是很高，這和太陽(yáng)能電池的成本和其光電轉(zhuǎn)換效率有著密切的關(guān)系。

表3 小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)初投資Tab.3 Small on-grid PV power system investments

3 結(jié)論

(1)家庭屋頂式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，如享受上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)1元/kW·h，按1元/kW·h的價(jià)格賣給電網(wǎng)，還是有投資的可行性的;但項(xiàng)目的凈利潤(rùn)不是很高，這和太陽(yáng)能電池的成本和其光電轉(zhuǎn)換效率有著密切的關(guān)系。

(2)降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本:第一，盡可能提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率;第二，降低太陽(yáng)能電池以及蓄電池成本;第三，進(jìn)一步提高控制器、逆變器的效率，以降低系統(tǒng)綜合能耗量。

(3)鑒于我國(guó)的能源和環(huán)境狀況及國(guó)家的相關(guān)政策，家庭屋頂式太陽(yáng)能光伏發(fā)電有著很大發(fā)展空間，具有很好的應(yīng)用前景。