姚樹春+劉雅婧

摘 要 能源是當(dāng)前熱門的話題，而太陽能光伏發(fā)電又是一個(gè)新興的事物，太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能的光生伏打效應(yīng)原理，日照時(shí)，把太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能，直接或逆變成交流電供給負(fù)載設(shè)備。該系統(tǒng)的應(yīng)用能達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞 太陽能；光伏發(fā)電；環(huán)保；偏遠(yuǎn)用電

中圖分類號(hào)：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0121-02

目前，全球能源危機(jī)、環(huán)境污染致使新能源的應(yīng)用成為熱點(diǎn)的話題，而太陽能憑借其清潔、可再生、分布廣等優(yōu)勢(shì)獲得了普遍關(guān)注。而光伏發(fā)電，就是利用太陽光能轉(zhuǎn)換成電能，供人類使用，發(fā)電時(shí)無污染，深受社會(huì)的喜歡，但光伏發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用缺少之又少。

1 項(xiàng)目背景

發(fā)展可再生能源如今已成為全世界共同關(guān)注的課題，而其中發(fā)展最好的三大可再生能源中太陽能最被業(yè)內(nèi)人士看好，其潛力也最大。特別是近幾十年來太陽能開發(fā)中提出的光伏發(fā)電研究成果，因其具有極好的商業(yè)化和市場(chǎng)開拓潛力，使得太陽能研究領(lǐng)域迅速發(fā)展成為全球快速穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究的就是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)如何更好地將其提提倡的綠色電力在蘇州住宅小區(qū)中推廣，以期從點(diǎn)到面來研究該行業(yè)的推廣應(yīng)用，使其能在真正意義上成為全球各國解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一。

1.1 立項(xiàng)原因

太陽輻射能源是一種極其豐富、無污染、廉價(jià)的能源，其取之不盡用之不竭的特性，使無數(shù)研究者趨之若鶩。本項(xiàng)目組就目前太陽能發(fā)電的研究成果，中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口限制和供求關(guān)系等因素，申請(qǐng)了該項(xiàng)目，學(xué)習(xí)研究實(shí)施太陽能光伏發(fā)電。

1）太陽能發(fā)電的趨勢(shì)。根據(jù)國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》（可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，2007.9，中華人民共和國-國家發(fā)展和改革委員會(huì)），要大力推廣應(yīng)用小功率光伏系統(tǒng)，建立分散型和集中型兆瓦級(jí)聯(lián)網(wǎng)光伏示范性電站。我國國內(nèi)光伏市場(chǎng)十分巨大。

2）中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口限制和供求關(guān)系。目前，我國的光伏行業(yè)出口受到很大的限制，也就是一般意義上的“雙反”。由于以往的光伏產(chǎn)業(yè)主要都是歐美國家在生產(chǎn)，為了鼓勵(lì)我國企業(yè)自行從事太陽能的研發(fā)生產(chǎn)，我國制定了一系列鼓勵(lì)政策。因?yàn)閲獾墓夥a(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了大規(guī)模的發(fā)展，起步較晚的中國光伏制造企業(yè)為了生存發(fā)展只能選擇走低價(jià)路線，一番價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)以后歐美的光伏企業(yè)紛紛開始使用地方保護(hù)政策和法律武器保護(hù)自己，即雙反。鑒于此，中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口受限，主要供求都局限在國內(nèi)市場(chǎng)。

1.2 住宅小區(qū)采用光伏發(fā)電的需求分析

1）環(huán)保需要。目前太陽能基本上是無污染的能源，光伏發(fā)電，不會(huì)產(chǎn)生“目視污染”外的其他污染。

2）用電需要。現(xiàn)在住宅小區(qū)，用電的地方很多，如：居民家中、公共樓道、路燈、小區(qū)門衛(wèi)室、綠化燈光美化照明等。

3）科技發(fā)展的需要。光伏是個(gè)新興的技術(shù)行業(yè)，能為人類的生活帶來很大的方便。

1.3 太陽能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

1）量大價(jià)廉。太陽能資源取之不盡、用之不竭，且免費(fèi)。

2）無需配送?？稍匕l(fā)電、原地使用，節(jié)約輸配電網(wǎng)的投資，并減少了輸配電損耗。

3）改善環(huán)境。安裝在屋頂和墻面上的光伏陣列能在吸收太陽能的同時(shí)避免了屋頂和墻面的陽光直射，尤其在夏日，可明顯改善室內(nèi)溫度環(huán)境。

4）保護(hù)空氣?，F(xiàn)在全球大部分地區(qū)都是采用化石燃料發(fā)電，這會(huì)對(duì)空氣造成嚴(yán)重污染，如果選用了太陽能光伏發(fā)電，則能有效的保護(hù)空氣，防止霧霾現(xiàn)象的進(jìn)一步惡化。

5）占地面積小。太陽能光伏發(fā)電無需額外占地建設(shè)，只需安裝在屋頂即可，節(jié)省了土地資源，這對(duì)于人口密集、土地昂貴的城市建筑尤為重要。

1.4 光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)

1）穩(wěn)定性差。氣候和晝夜的變化對(duì)太陽能的獲取量影響很大。為了使其達(dá)到一定的穩(wěn)定度就必須有貯存裝置，這一措施不僅增加了技術(shù)難度，也提高了造價(jià)。鑒于目前的貯存系統(tǒng)都不夠理想，要具體應(yīng)用也較為困難。

2）裝置成本過高。雖然地面接收到的太陽能量非常大，但其分散度太大，密度太低，因此，作為能源使用就必須安裝面積相當(dāng)大的收集設(shè)備才能達(dá)到預(yù)期效果。但是大面積必將造成價(jià)位高，從而提高這一量大價(jià)廉的能源價(jià)格。

3）太陽能光伏面板損壞。太陽能光伏面板有一定的壽命，目前還不是很明確；冰雹天氣對(duì)太陽能光伏面板有一定的破壞作用；天氣灰塵較多，時(shí)間長后，會(huì)覆蓋在太陽能面板上，影響太陽能的接收。

2 太陽能發(fā)電原理的學(xué)習(xí)與研究

2.1 太陽能發(fā)電的原理

太陽能電池組件能在太陽照射下將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，一方面通過控制器將直接送入用電設(shè)備完成諸如照明、電路控制等多種功能，如有需要還可通過AC/DC逆變器為交流負(fù)載提供電能。另一方面也可通過控制器將多余的電能送入蓄電池內(nèi)貯存起來，提供夜間所需的電能。

2.2 目前太陽能發(fā)電的節(jié)能減排分析

太陽能光伏發(fā)電相比火力發(fā)電，可以減少污染物的排放，起到節(jié)能減排的作用。表1是天科光伏公司對(duì)上海、蘇州地區(qū)的太陽能節(jié)能減排的分析。

表1 發(fā)電量與節(jié)能減排分析

100 kW光伏項(xiàng)目 kWh/年 節(jié)省 減排

標(biāo)準(zhǔn)煤 二氧化碳 二氧化硫 氮氧化物

年均發(fā)電量 85800 33.46T 87T 0.8T 0.23T

25年總

發(fā)電量 2145000 836.5T 2175T 20T 5.75T

3 蘇州太陽能發(fā)電的可行性

3.1 環(huán)境可行性

蘇州全年太陽總輻射4605.55 MJ/m2（兆焦/平方米），日均太陽輻射為12.62 MJ/m2，其中7月份太陽輻射最多，達(dá)到日均17.17 MJ/m2；1月份最少，為7.05 MJ/m2。全年日照時(shí)數(shù)1829小時(shí)，年日照率為42%。endprint

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性

蘇州屬于III類資源區(qū)，蘇州的光伏發(fā)電的上網(wǎng)價(jià)格是1.0元/千瓦。分布式光伏的保底收入就是當(dāng)?shù)亍皹?biāo)桿電價(jià)+0.42元/度”，而正常情況下用電價(jià)格是高于當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)的，所以自發(fā)自用比例越高，收益越高。

表2 光伏發(fā)電入網(wǎng)價(jià)格

3.3 政策可行性

目前我國有多項(xiàng)政策對(duì)大陽能發(fā)電研究進(jìn)行支持，其中國發(fā)〔2013〕24號(hào)《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》制定的發(fā)展目標(biāo)如下。

把擴(kuò)大國內(nèi)市場(chǎng)、提高技術(shù)水平、加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)作為促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的根本出路和基本立足點(diǎn)，建立適應(yīng)國內(nèi)市場(chǎng)的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務(wù)體系，形成有利于產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)體系和市場(chǎng)環(huán)境。2013～2015年，年均新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量1000萬千瓦左右，到2015年總裝機(jī)容量達(dá)到3500萬千瓦以上。加快企業(yè)兼并重組，淘汰產(chǎn)品質(zhì)量差、技術(shù)落后的生產(chǎn)企業(yè)，培育一批具有較強(qiáng)技術(shù)研發(fā)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭企業(yè)。加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高多晶硅等原材料自給能力和光伏電池制造技術(shù)水平，顯著降低光伏發(fā)電成本，提高光伏產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。保持光伏產(chǎn)品在國際市場(chǎng)的合理份額，對(duì)外貿(mào)易和投融資合作取得新進(jìn)展。（國發(fā)〔2013〕24號(hào)國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見（節(jié)選），2013.8）

所有的這些政策，基本上都是對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的支持。

4 太陽能發(fā)電模型的建立

4.1 太陽能電池組件

該項(xiàng)目建立的模型如下。

1）系統(tǒng)硬件配置。10 W太陽板X2、電源箱、導(dǎo)線、LED光源（2W球泡、3 W球泡、8 W球泡、6 W＼300 MM燈管、9 W＼500 MM燈管，客戶可根據(jù)應(yīng)用需求做出組合選擇）組成。①普通家居照明可選1 W球泡或2 W燈管；②商業(yè)照明可選3 W球泡或4 W燈管。

2）系統(tǒng)可照明時(shí)間說明。①滿電狀態(tài)下可為：2 W光源照明最少8小時(shí)；②在光照充足的情況下，太陽板充電一天可為2 W光源提供12小時(shí)所需電能；兩天可以基本充滿電；③如果遇到持續(xù)陰雨天，太陽板將無法為系統(tǒng)正常補(bǔ)充電能，請(qǐng)縮短每晚照明時(shí)間，從而延長照明天數(shù)；④每天晚上照明4-6小時(shí)以內(nèi)，白天及時(shí)充電，盡量使電池始終處于滿電狀態(tài)，這樣既可以保證系統(tǒng)有3天的儲(chǔ)電量，也可以大大延長蓄電池的使用壽命。

3）持續(xù)陰雨天時(shí)請(qǐng)關(guān)注電壓表，當(dāng)指針顯示電壓低于12 V時(shí)，請(qǐng)及時(shí)充電！如天氣未能轉(zhuǎn)晴，可用專用的AC220V—DC12V適配器為系統(tǒng)充電。

4）充電插口有兩個(gè)，太陽板、適配器均可任意接入充電。

5）照明插口有四個(gè)，位于USB接口的下方，插上光源的插頭即可照明。

6）指示燈說明見電源箱的說明，系統(tǒng)設(shè)置為微電腦默認(rèn)模式，正常使用即可。

4.2 蓄電池

牽引式蓄電池是目前光伏系統(tǒng)中的最常用蓄電池為，通常放電率可超過80%，該類型的電池主要有VRLA（鉛酸）蓄電池、Ni-Cd（鎳鎘）蓄電池和Ni-H（鎳氫）蓄電池三種類型。涉及2 V、4 V、6 V、12 V和24 V等型號(hào)電池，品種有0.5AH～2000AH近百個(gè)規(guī)格。

蓄電池應(yīng)與太陽能電池、負(fù)載相匹配?？刹捎靡环N簡單方法大致確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池板額定輸出功率和負(fù)載輸入功率之間的關(guān)系在華東地區(qū)大致是2～4：1，系統(tǒng)才能正常工作，具體比例要根據(jù)燈具每天工作時(shí)間以及對(duì)連續(xù)陰雨天照明要求決定。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓的20～30%，才能保證給蓄電池正常充電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗電量高6倍以上為宜。

4.3 專用控制器

本系統(tǒng)的控制器電路主要完成以下功能。

1）為了防止蓄電池深度放電和過度充電的問題，必須限制其充、放電條件，以延長蓄電池的使用壽命。

2）控制器電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載控制功能，能自動(dòng)光控或者時(shí)控方式下的路燈工作狀態(tài)。

3）控制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：防反充電控制；防過充電控制；防過放電控制；光控自動(dòng)切換負(fù)載工作。因此，在溫差較大的地方能進(jìn)行溫度補(bǔ)償功能。該產(chǎn)品技術(shù)已極為成熟，設(shè)備型號(hào)有數(shù)十種之多。

4.4 蓄電池參數(shù)

為了有效減少蓄電池的數(shù)量，本項(xiàng)目設(shè)定了工作目標(biāo)，以此來設(shè)計(jì)匹配不同型號(hào)的蓄電池。根據(jù)前期調(diào)研，為了實(shí)現(xiàn)最終模型，本項(xiàng)目需要在蓄電池充滿情況下連續(xù)工作5個(gè)陰雨天，得出蓄電池容量應(yīng)為（AHL×DW/ DOD =69.58×5/0.6=579.8AH），因此本項(xiàng)目選用了4臺(tái)24 V150AH的蓄電池來完成目標(biāo)。若根據(jù)負(fù)載需要設(shè)計(jì)匹配不同型號(hào)的蓄電池，可有效減少蓄電池的數(shù)量。此外，為了將蓄電池工作電壓由24 V降低到12 V供負(fù)載使用，還需使用直流降壓器。

4.5 太陽能電池組件

蓄電池總充電電流

式中，ε為太陽能組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，取ε=1.05；η為蓄電池充電效率，取η=0.9。

CS6P-240型太陽能電池組件數(shù)量N

為了保證系統(tǒng)在太陽輻射最少的月份能穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行校對(duì)。蘇州地區(qū)而言1月份日平均太陽輻射最低，為7.05兆焦/平方米即1.96 kWh/m2。系統(tǒng)日耗電量為3.39 kWh，單晶硅電池效率為18%，則CS6P-240型太陽能電池組件數(shù)量N。

5 總結(jié)推廣

5.1 成功之處

我們團(tuán)隊(duì)能夠熟練掌握太陽能光伏發(fā)電的基本原理，組裝過程，注意事項(xiàng)等。團(tuán)隊(duì)的每位成員都能夠快速、正確的配置安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

5.2 有待提高

雖然該項(xiàng)目已經(jīng)接近尾聲，但還有一些不足之處，如：

1）模型較小，因?yàn)榭紤]到攜帶、演示的方便，我們的模型較小，功率不大。

2）目前太陽能光伏發(fā)電的設(shè)備較貴，如果要聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，一般至少要2 kW，而2 kW的價(jià)格基本上在16000元左右，我們的科研經(jīng)費(fèi)受限。等工作后，我們可以利用業(yè)主、社區(qū)或企業(yè)，提供經(jīng)濟(jì)支持，建立聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

6 總結(jié)

經(jīng)過大家辛苦努力，大家學(xué)到了很多太陽能光伏發(fā)電的知識(shí)，該項(xiàng)目的調(diào)研報(bào)告終于完成了，模型也基本上能夠展現(xiàn)太陽能發(fā)電原理和實(shí)際的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉俊，吳璽，何建龍，等.太陽能公交車站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析[J].信息化研究，2011（1）.

[2]劉漢元.加快發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè) 確保我國能源與環(huán)境安全[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2013（7）.

作者簡介

姚樹春，男，項(xiàng)目管理師。

劉雅婧，女，工程師。endprint