肖友鵬

（江西科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益分析

肖友鵬

（江西科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

為解決家庭日常電力需求，設(shè)計(jì)一個(gè)戶(hù)用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)家庭全年各月用電量和當(dāng)?shù)氐乩須夂驐l件，闡述光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析和環(huán)境效益分析。LLC分析表明戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)一步減低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本特別是初期購(gòu)買(mǎi)價(jià)格下降和發(fā)電效率提升的基礎(chǔ)上是非常適合長(zhǎng)期投資的。環(huán)境效益分析表明光伏發(fā)電技術(shù)在降低污染物排放和增加環(huán)境效益方面表明突出，在環(huán)境污染日益嚴(yán)重和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題日益重視的今天，光伏發(fā)電技術(shù)將有更大的作為。

光伏發(fā)電；全壽命周期成本；經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境效益

0 引言

隨著化石能源儲(chǔ)量減少和石油價(jià)格的連續(xù)波動(dòng)，可再生能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。太陽(yáng)能光伏技術(shù)是一種充滿(mǎn)希望的可再生能源技術(shù)，也是正在開(kāi)發(fā)利用的新能源技術(shù)。這項(xiàng)吸引人的技術(shù)可以應(yīng)用在任何有陽(yáng)光的地方，綠色無(wú)污染，長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)能夠降低對(duì)環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)可靠。

光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體。單體光伏電池功率較小，需要連接在一起組成更大的單元也就是光伏組件；將光伏組件連接成更大的單元稱(chēng)之為光伏方陣。光照光伏方陣產(chǎn)生電能，如果需要將電能儲(chǔ)存，則需要一組蓄電池；為防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電，需要充電控制器；將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，需要逆變器完成?？刂破鬟€能監(jiān)控從光伏方陣注入到逆變器的電量，圖1為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖[1]。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏方陣、蓄電池和逆變器的容量設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，這需要知道當(dāng)?shù)氐乩須夂驐l件和家庭日常用電情況、光伏組件制造數(shù)據(jù)、逆變器和蓄電池的工作效率，甚至要考慮光伏方陣發(fā)電量和儲(chǔ)能蓄電池容量之間的關(guān)系，進(jìn)而決定光伏方陣和蓄電池的最優(yōu)組合[2]。

1 地理氣象參數(shù)

為了預(yù)測(cè)光伏系統(tǒng)的性能，必須收集當(dāng)?shù)氐臍庀蠛铜h(huán)境數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的項(xiàng)目地點(diǎn)選在上海，上海緯度為31.17°，南向布置的光伏方陣最佳傾斜角為27°，每個(gè)月入射到傾斜面上日均太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)如表1[3]。

表1 最佳傾斜角上月平均日輻射量

2 用電需求

上海地區(qū)典型家庭負(fù)載包括電燈、電視機(jī)、電腦、洗衣機(jī)、冰箱和空調(diào)，每天負(fù)載數(shù)據(jù)如表2。同時(shí)假設(shè)負(fù)載在一年中每天用電情況相同，與之相對(duì)應(yīng)的每天用電負(fù)荷曲線(xiàn)如圖2。從表中可以計(jì)算出家庭負(fù)載功率為3100 W，日均用電量QL約14.5 kWh/d。

表2 負(fù)載用電數(shù)據(jù)

圖2 用電負(fù)荷曲線(xiàn)

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光伏方陣的設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下條件下（溫度為25℃，峰值太陽(yáng)能輻射PSI為1000 W/m2）光伏方陣的峰值功率Pm可以由式（1）求得[4]：

式中QL為日均用電量；Gav（average solar energy input per day）為傾斜面上全年平均的日均輻射量，由表1可知其值為3.819kWh/(m2·d)；TCF（temperature correction factor）為溫度校正因子，光伏電池溫度達(dá)到45℃時(shí)，TCF取值為0.9[5]；輸出效率ηout為ηB（蓄電池效率）和ηInv（逆變器效率）的乘積，一般ηout=0.85×0.9=0.765。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可得光伏方陣日均峰值功率Pm為5515 WP。

3.2 蓄電池組的設(shè)計(jì)

蓄電池的儲(chǔ)能容量可以由式（2）求得[5]：

式中D為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，取5 d；DOD（maximum permissible depth ofdischargeofthe battery）為蓄電池最大放電深度，取0.8。將數(shù)據(jù)代入式（2）可得蓄電池的容量為118.464 kWh。選擇DC端電壓為48 V，則用安時(shí)數(shù)表示的蓄電池容量為2468 Ah。

3.3 控制器的設(shè)計(jì)

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器的基本功能是保護(hù)光伏方陣對(duì)蓄電池過(guò)充電或蓄電池對(duì)負(fù)載過(guò)放電。充電控制是必不可少的，因?yàn)樨?fù)載用電是很難預(yù)測(cè)的?？刂破鲬?yīng)該保證蓄電池安全充電并且維持更長(zhǎng)的壽命?？刂破髟O(shè)計(jì)的原則是要與光伏方陣的電流相兼容，因此選擇電流為115 A的控制器以維持48 V的DC端電壓。

3.4 逆變器的設(shè)計(jì)

逆變器的功率必須大于AC負(fù)載最大預(yù)期功率，因此選擇時(shí)必須比總AC負(fù)載額定功率高20%，因此選擇逆變器的規(guī)格為3720 W、48 VDC、50 Hz。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)用LCC進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。LCC包括系統(tǒng)自身成本和整個(gè)壽命期內(nèi)偶生成本的總和折算到投資初始期的現(xiàn)值（Present Worth，PW）[6]。系統(tǒng)自身成本包括購(gòu)買(mǎi)成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本和替換成本。系統(tǒng)初始購(gòu)買(mǎi)成本（現(xiàn)金成本）是比較高的，但沒(méi)有燃料成本，系統(tǒng)維護(hù)成本和替換成本（主要是蓄電池）也較低。因此光伏系統(tǒng)LCC包括光伏組件、蓄電池、控制器、逆變器等成本的現(xiàn)值，以及安裝、維護(hù)和運(yùn)行成本的現(xiàn)值。各項(xiàng)成本數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)如表3[7]。

表3 各項(xiàng)成本數(shù)據(jù)

除了蓄電池的壽命假定為5年外，系統(tǒng)其余部分的壽命n假定為25年。因此，在5年、15年、20年之后需要再次購(gòu)買(mǎi)蓄電池。假設(shè)膨脹率i為，折現(xiàn)率或利率為d。因此，各項(xiàng)的現(xiàn)值可以計(jì)算為：

光伏方陣成本CPV=4.5×5515=24818￥

蓄電池第一次購(gòu)買(mǎi)成本CB=6×2468=14808￥

替換蓄電池時(shí)再次購(gòu)買(mǎi)的成本的現(xiàn)值為[8-10]：

因此5年之后（n=5）再次購(gòu)買(mǎi)的蓄電池成本的現(xiàn)值為10659￥，10年之后（n=10）再次購(gòu)買(mǎi)的蓄電池成本的現(xiàn)值為7673￥，15年之后（n=15）再次購(gòu)買(mǎi)的蓄電池成本的現(xiàn)值為5523￥，20年之后（n=20）再次購(gòu)買(mǎi)的蓄電池成本的現(xiàn)值為3975￥。

控制器的成本CC=12×115=1380￥

逆變器的成本CInv=1×3720=3720￥

安裝成本 CIsnt=0.1×24818=2482￥

維護(hù)成本的現(xiàn)值[8-10]：

式中α為每年維護(hù)成本，n=25，可以算的CMPW=5342￥。

因此，系統(tǒng)的LCC

系統(tǒng)每年的LCC即ALCC可以由式（5）[8-10]計(jì)算為6340￥。

一旦知道了ALCC，可由式（6）計(jì)算每度電（1 kWh）的成本為1.2￥。

5 環(huán)境效益分析

當(dāng)前我國(guó)電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主，發(fā)電過(guò)程中向環(huán)境排放大量的CO2、SO2、NOx和煙塵，引起環(huán)境污染，引發(fā)溫室效應(yīng)。光伏發(fā)電不需要燃燒化石能源，不排放污染物，綠色環(huán)保?；鹆Πl(fā)電耗煤345 g/kWh[11]，與之對(duì)照本戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤45.65 t。表4為燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的污染物排放量及其所對(duì)應(yīng)的環(huán)境成本[12]。

表4 單位污染物排放量和環(huán)境成本

表5則是采用光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放量和環(huán)境效益，即減少污染物排放量所減少的環(huán)境成本。可以看出，在全壽命周期內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放總量為124 t，折算成單位排放量為22.5 Kg/WP，產(chǎn)生的環(huán)境效益為18683￥，折算成單位環(huán)境效益為3.4￥/WP。

表5 污染物減排量和環(huán)境效益

6 結(jié)論

為上海地區(qū)普通家庭設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行LCC分析和環(huán)境效益分析。分析表明戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)每度電（1kWh）的成本為1.2￥，高于當(dāng)前居民用電價(jià)格，不過(guò)相較前期已經(jīng)下降很多。在進(jìn)一步減低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本特別是初期購(gòu)買(mǎi)價(jià)格下降和發(fā)電效率提升的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生清潔能源的光伏發(fā)電技術(shù)是非常適合長(zhǎng)期投資的。在全壽命周期內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放總量為124 t，折算成單位排放量為22.5 Kg/WP；產(chǎn)生的環(huán)境效益為18683￥，折算成單位環(huán)境效益為3.4￥/WP。在環(huán)境污染日益嚴(yán)重和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題日益重視的今天，光伏發(fā)電技術(shù)將有更大的作為。

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（責(zé)任編輯：陳 輝）

Economic and Environmental Analysis of a Stand-Alone PV System

XIAO You-peng
（Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China）

With an aim to meet the need of daily electricity,a design of a stand-alone photovoltaic power generating system is presented.According to the local geographic and climate conditions with the daily household load data,the design steps of the system are carried out and the life cycle cost(LLC)of system and environmental benefits are analyzed.LLC analysis shows that the system is very suitable for long-term investment due to further decrease the cost of the system especially the initial purchase price and improve of the conversion efficiency.Environmental benefits analysis show that photovoltaic technology can reduce emissions and bring environmental benefits.Since environmental pollution is becoming increasingly serious and more and more attentions are drawn to environmental problems,photovoltaic technology will have greater development.

photovoltaic power generation;life cycle cost;economics;environmental benefits

TM615

A

123（2014）03-0038-04

2014-05-09

肖友鵬（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，江西科技學(xué)院，碩士。研究方向：新能源材料與新能源發(fā)電。