李曉偉，李昭剛，談文松，張傳洋

（1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安271018）

1 引言

太陽每秒鐘噴射的能量大約是1.6×1023kW，其中抵達地球的能量高達8×1013kW，相當于6×109t標準煤。假如把地球表面0.1% 的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達5.6×1012kW·h，相當于目前世界上能耗的40倍［1］。

太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種可再生能源系統(tǒng)在國內(nèi)推廣和應用，我國是世界上能源消費大國，在已知的新能源開發(fā)中，太陽能必然能滿足人類發(fā)展的能量需求。太陽能光伏發(fā)電的運用必將能提高環(huán)境狀況，緩解全球能源緊缺的現(xiàn)狀。

本文基于實際工程，研究光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，并調(diào)查了截至2014年前三季度的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的政策及發(fā)展現(xiàn)狀，對屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量及電力消耗情況進行實例剖析，評價了因?qū)牍夥l(fā)電系統(tǒng)帶來的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟性影響。

2 太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及政策

作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，光伏發(fā)電在各國政策的鼓勵下，發(fā)展迅速，規(guī)模擴大。

2014年前三季度，全國新增光伏發(fā)電并網(wǎng)容量379萬kW，其中，新增光伏電站并網(wǎng)容量245萬kW，新增分布式光伏并網(wǎng)容量134萬kW；全國光伏發(fā)電量約180億kW時，相當于2013年全年發(fā)電量的200%。國家電網(wǎng)公司運營范圍內(nèi)新增光伏發(fā)電裝機320萬kW，其中光伏電站205萬kW，分布式115萬kW；南方電網(wǎng)公司經(jīng)營范圍內(nèi)新增光伏發(fā)電裝機28萬kW，其中光伏電站12萬kW，分布式16萬kW。甘肅累計光伏電站并網(wǎng)容量達到466萬kW，青海達到365萬kW，新疆達到313萬kW。而江蘇累計分布式并網(wǎng)容量達到70萬kW，浙江達到46萬kW，廣東達到44萬kW。

隨著近10年光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和技術(shù)水平提高，光伏發(fā)電效率不斷提高，組件成本一直下跌，然而與其他發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電的成本依然很高。其中，火力發(fā)電的成本大約在0.4元/度，水電的發(fā)電成本為0.2～0.3元/度，核電的發(fā)電成本為0.3～0.4元/度，風電的發(fā)電成本為0.6元/度，但是，光伏發(fā)電的成本卻依然高達0.9～1.0元/度。因而，至少在目前的技術(shù)水平條件下，光伏發(fā)電仍然需要依賴政府的補貼支持，還不能完全脫離補貼、不能獨立參與電源市場競爭。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究對象

分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、控制裝置組成。研究系統(tǒng)位于山東省泰安市岱岳區(qū)的住宅屋頂上，此研究對象是用12塊電池板串聯(lián)，每塊光伏組件的功率是250W，系統(tǒng)的總功率是3KW，于2013年6月4號成功并網(wǎng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)采用的光伏組件

本設計采用多晶硅光伏組件，選用的組件外形尺寸為1650mm×990mm×40mm，單組功率為250W，10年不低于91.2%的標稱輸出功率，25年不低于80.7%的標稱輸出功率。具體組件參數(shù)如1所示。

表1 設計選用的多晶組件技術(shù)參數(shù)

12塊光伏板并排列于屋頂上，該設計規(guī)模較小，主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與驗證，根據(jù)當?shù)鼐暥却致源_定太陽能光伏陣列的傾斜角［2］，系統(tǒng)采用自制可調(diào)整角度鋼架固定留有兩個傾角，一個是40°，一個是20°，12塊電池板橫向排列。

3.2 光伏逆變器

將直流電能轉(zhuǎn)變成為交流電能的過程稱為逆變，通常將DC－AC變換電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路組成的DC－AC逆變電源稱為逆變器（Inverter）。它使轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓、頻率與電力系統(tǒng)交流電的電壓、頻率相一致，以滿足為各種交流用電設施、設備供電及并網(wǎng)發(fā)電的需求。

此研究對象的光伏并網(wǎng)逆變器選用某公司的高頻隔離光伏并網(wǎng)逆變器（ASP－1.5/2/3/4KHF系列）。其逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。

圖2 逆變器的結(jié)構(gòu)

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，在整個并網(wǎng)系統(tǒng)中，各部分對光伏對逆變器都有相應的要求。作為電能的輸入端，光伏陣列對逆變器的要求就是使輸出電壓最大化，使陣列工作在最大功率點，得到最大工作電壓；在并網(wǎng)端，電網(wǎng)對逆變器要求也很嚴格，電網(wǎng)是一個大系統(tǒng)，對電能質(zhì)量要求很嚴格，逆變器的輸出電壓的波形、頻率、相位必須與電網(wǎng)一致，同時逆變器還要有能防止孤島效應的作用；而作為用戶，對逆變器的要求就是成本低、高可靠性、維護簡單和使用壽命長。

4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實測對象

光伏發(fā)電系統(tǒng)所測量的對象如表2所列。居民家里所有的用能設備均為用電設備，空調(diào)是冷暖兩用空調(diào)機 ，熱水供應采用電熱水器，其他的電力消耗主要是家電和照明。所有消耗的電力由屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)兩者配合提供，當陰雨或夜晚光伏發(fā)電系統(tǒng)不發(fā)電時或者白天發(fā)電量不能滿足家庭用電需求時，電網(wǎng)會向居民提供用電，由居民從電網(wǎng)購電；而當晴天光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量超過家庭用電量時，除了自身家庭用電外，多余的電力將上網(wǎng)賣給電網(wǎng)。研究的對象是位于山東泰安岱岳區(qū)的居民住宅。由于住宅本身的方位角和屋頂?shù)膬A斜角度，光伏陣列的設置要符合當?shù)刈≌膶嶋H情況，所以陣列模塊的方位角和傾斜角與住宅的相一致［4］。

表2 3kw光伏發(fā)電系統(tǒng)

4.1 實測結(jié)果

（1）月累計電量圖3顯示了住宅的2013年6月到2014年5月的月累計電量。表3統(tǒng)計了不同時段的月累計電力詳細情況。

表3 不同時段的月累計電力統(tǒng)計 kW·h

圖3 月累計電量

住宅在1月份的消費電量也比其他月要大 ，這主要是因為冬季的供暖用空調(diào)耗電增大 ，且熱水負荷也比夏季和春秋季要大。發(fā)電量中的自家消費量的最大值出現(xiàn)在8月份。

4.2 應用評價

4.2.1 節(jié)能效果評價

圖4顯示了研究對象住宅的一次能源節(jié)約量。以電網(wǎng)能夠不需消耗太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，從而可以節(jié)約投入到發(fā)電廠的一次性能源的方法來評價太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能性。我國火力發(fā)電廠最多大約為40%～42%，以電網(wǎng)的39%的發(fā)電效率來計算太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的一次能源節(jié)約量。9月份的節(jié)能量最大 ，住宅可節(jié)約的一次性能3937MJ。即使在發(fā)電量最低1月份 ，住宅仍可節(jié)約一次能源2243MJ。

圖4 一次能源節(jié)省量

以國內(nèi)電廠的平均能耗水平來說，每節(jié)約1度（kW·h）電，就相應節(jié)約了0.36千克標準煤，此系統(tǒng)每年可發(fā)電5000度電，可節(jié)約年燃料能耗1.8噸標準煤。

4.2.2 環(huán)保效果評價

以國內(nèi)電廠的平均能耗水平來說，注：每節(jié)約1度（kW·h）電，可減少污染排放0.272千克碳粉塵、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。

表4 減排計量

以二氧化碳的減排量來評價太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)保效果，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的二氧化碳排放主要來自于太陽能電池以及附屬設備的生產(chǎn)制造、運輸和施工過程。住宅的月最大二氧化碳減排量是8月，也是月累計發(fā)電量最大的月份。

4.2.3 經(jīng)濟社會效果評價

我國對分布式光伏發(fā)電量進行貼補支持，有兩種方式，一種是“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”，1度電補貼“0.42元/kW·h”，上網(wǎng)部分按燃煤脫硫標桿電價收購“0.44元/kWh”。2014年9月5日，國家新能源局規(guī)定，分布式光伏發(fā)電也可以“全額上網(wǎng)”的并網(wǎng)方式享受光伏電站標桿上網(wǎng)電價。

對于“全額上網(wǎng)”，山東省規(guī)定“2013～2015年并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站標桿上網(wǎng)電價為每千瓦時1.2元（含稅），高于國家標桿電價（1元）部分由省級承擔”。對于本文涉及的系統(tǒng)，本項目每年發(fā)5000度電左右，若按“全額上網(wǎng)”，6年可收回成本；若按“自發(fā)自用，余額上網(wǎng)”，上網(wǎng)電價按脫硫標桿上網(wǎng)電價0.4469元/KWh，度電補貼0.42元/KWh，一般8年左右就可收回成本；學校、工廠、商業(yè)用電價格高，收回成本時間更短。

光伏發(fā)電對電網(wǎng)也有明顯的改善作用，光伏分布式并網(wǎng)發(fā)電情況下，在保證系統(tǒng)中各節(jié)點諧波水平在國家標準限值范圍內(nèi)時，可以通過調(diào)整并網(wǎng)光伏容量來改善電網(wǎng)電壓水平，使系統(tǒng)達到最理想的狀態(tài)。同時也有電網(wǎng)調(diào)峰的作用，夏天用電量特別大，光伏發(fā)電量也是最大的季節(jié)；并且，白天用電高峰正是發(fā)電高峰。所以光伏發(fā)電可以對電網(wǎng)調(diào)峰起到很好的作用，緩解電網(wǎng)壓力。

5 結(jié)語

（1）我國通過制定各種開發(fā)計劃 ，融資制度，政府補貼計劃 ，設置可再生能源市場份額以及并網(wǎng)電價等的制度 ，大力促進了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，降低了設備初期投資 ，促進了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的普及，成為能源產(chǎn)業(yè)的不可或缺的重要組成部分。

（2）所分析的屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟性效果。政府為推進太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和應用推廣，采取了一系列的補貼政策，對分布式光伏發(fā)電的開發(fā)推廣起到了一定的積極作用。

（3）以實際工程為例，介紹了工程的結(jié)構(gòu)組成，對運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，介紹了系統(tǒng)成本及后續(xù)經(jīng)濟社會效益，光伏能源是未來重要的能源組成部分，要充分利用光伏發(fā)電帶來的有利影響，才能實現(xiàn)新型電網(wǎng)運行效率和性能優(yōu)勢的最大化。

［1］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［2］李忠實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計施工與維護［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］佚 名.ASP－1.5/2/3/4KHF光伏并網(wǎng)逆變器使用說明書［R］.濟南：山東奧太電氣有限公司.

［4］劉青榮，顧群音.日本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的政策和實例［J］.華東電力（TM615），2009（2）.

［5］國家能源局.國家能源局關(guān)于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知 ［2014］406號［R］.北京：國家能源局，2014.

［6］Chuanyang Zhang，Xiaowei Li，Mochen Liu，et al.Distributed Photovoltaic Power Generation.System Design and Grid Research［J］.Material Science and Advanced Technologies in Manufacturing，2014（1）：671～674.

［7］Zhongmei Xi，Zhiming Zhang，Ranran Wang，et al.Review on Islanding Detection Methods for Photovoltaic Inverter ［J］.TELKOMNIKA，2014（1）：433～441.