伍 云 帆

(重慶市第一中學(xué)，重慶 400030)

0 引言

隨著石油及煤炭的大量開發(fā)，能源危機(jī)日益加重，對環(huán)境造成的危害也越發(fā)不容小視，因而對新能源的開發(fā)已迫在眉睫，盡可能用清潔能源取代傳統(tǒng)的礦物能源，是新能源發(fā)展應(yīng)該遵循的原則。而太陽能作為一種可再生資源，清潔無污染，取之不盡，用之不竭，符合我國的環(huán)保、節(jié)能政策，正被國家大力提倡。

1 家庭太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展前景

通常所說的家庭太陽能光伏發(fā)電往往特指分布式光伏發(fā)電，即在用戶場地附近建設(shè)，運行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。目前我國應(yīng)用較為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是建設(shè)在樓宇屋面的微型光伏電站，以家庭用戶為單位的光伏發(fā)電形式。

我國政府已將光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為能源領(lǐng)域的一個重要方面，并納入了國家能源發(fā)展的基本政策中，已先后確立了一系列相關(guān)制度和措施，支持光伏用戶發(fā)電并網(wǎng)，優(yōu)惠電價，發(fā)放補貼，并在光伏建設(shè)貸款等方面給予光伏產(chǎn)業(yè)種種優(yōu)惠，鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年國家出臺的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》更是對分布式光伏設(shè)定了超常規(guī)發(fā)展目標(biāo)，提出2020年分布式發(fā)電要達(dá)到70 GW，而到目前為止，分布式累計安裝量還不到10 GW。種種跡象顯示，分布式光伏尤其是家庭分布式光伏無疑是巨大的市場，即將迎來快速發(fā)展期。

2 家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及分類

2.1 家庭光伏發(fā)電基本原理

光伏發(fā)電是通過太陽電池板利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，即太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴—電子對，在P-N結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后形成電流，見圖1。

2.2 家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

根據(jù)是否與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為家庭獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.2.1獨立離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)即離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，與公共電網(wǎng)無直接聯(lián)系，主要由太陽能電池組件、蓄電池、控制器構(gòu)成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這類系統(tǒng)適用于太陽能資源豐富、無傳統(tǒng)電網(wǎng)或經(jīng)常停電的地區(qū)，也適用于城市中鋪設(shè)線路困難且成本較高的場所，見圖2。

2.2.2家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過逆變器將光伏電池板發(fā)的直流電變換為交流，經(jīng)過相位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來使用。主要由光伏電池板、逆變器、交流保護(hù)開關(guān)箱和電表組成。主要特點是用戶可將所發(fā)電直接輸送至電網(wǎng)，一般情況下無需蓄電池及控制器，降低了設(shè)備成本。相比獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)適用于已普及傳統(tǒng)電網(wǎng)的地區(qū)，現(xiàn)國家大力倡導(dǎo)的分布式光伏發(fā)電便屬于并網(wǎng)系統(tǒng)，見圖3。

3 家庭光伏發(fā)電的主要部件

3.1 太陽能電池板組件

太陽能電池板是由多個太陽能電池按一定方式組裝在一塊板上的組裝件，通常作為光伏方陣的一個單元。組件作為室外安裝發(fā)電設(shè)備，是光伏系統(tǒng)的核心部分，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽能電池板組件使用價值的重要因素。傳統(tǒng)的太陽能電池板可分為單晶硅、多晶硅兩大類，由于多晶硅片生產(chǎn)能耗低，生產(chǎn)過程無污染，且與單晶硅片相比價格相對低廉，投資更為經(jīng)濟(jì)，因而在家庭光伏發(fā)電中被廣泛使用。

3.2 蓄電池

蓄電池為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的必需設(shè)備，作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。由于在家庭使用過程中蓄電池經(jīng)常處于頻繁的充、放電狀態(tài)，因此要求蓄電池具有良好的深循環(huán)能力，且能適應(yīng)不同的環(huán)境，如高溫、低溫、高海拔等，在使用中應(yīng)將蓄電池置于陰冷通風(fēng)處，并盡量避免太陽直曬。目前國內(nèi)被廣泛使用的主要是鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體蓄電池兩類。

3.3 控制器

控制器也為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的必需設(shè)備，由專用處理器、電子元器件、顯示器等組成，作用是控制蓄電池的準(zhǔn)確充、放電以及對負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)，并具有簡單的指示功能、協(xié)議通訊功能。如不需要將白天發(fā)的電儲存至晚上使用，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則不需要設(shè)置蓄電池及控制器。

3.4 逆變器

由于光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電流為直流電，而日常生活中的設(shè)備大部分采用的是220 V,50 Hz的交流電，逆變器的工作就是將直流電轉(zhuǎn)化為家用的交流電。逆變器種類繁多，因此在選擇機(jī)種和容量時需特別注意，轉(zhuǎn)換的電壓應(yīng)與蓄電池或電網(wǎng)匹配。除此之外，還應(yīng)具備一定的帶載能力、保護(hù)能力以及絕緣能力。

4 重慶家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)可行性及經(jīng)濟(jì)分析

本文以重慶為例，對目前國家大力提倡的家庭分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行粗略的可行性及經(jīng)濟(jì)分析。

4.1 重慶太陽能資源

重慶屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季劃分明顯。年日照時數(shù)1 000 h～1 400 h，日照百分率為25%～35%，冬、春季日照少。根據(jù)國家太陽能光熱標(biāo)準(zhǔn)圖集(建質(zhì)【2006】281號)明確，重慶地區(qū)10年期平均日照強度為3 636 MJ/m2。按照QXT 98—2008太陽能資源評估辦法，以太陽能總輻射的年總量為指標(biāo)，進(jìn)行太陽能資源豐富等級評價，重慶屬于太陽能資源一般地區(qū)，年日照總量為1 600 h，可以建設(shè)屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

4.2 重慶光伏資源政策

根據(jù)重慶市發(fā)展與改革委員會、重慶市能源局自2016年至今給予公開回復(fù)及頒布政策，重慶市支持太陽能發(fā)電分布式光伏項目。其次，重慶地區(qū)現(xiàn)有執(zhí)行的補助政策，是根據(jù)國家發(fā)改委2018年度批準(zhǔn)實施的分布式光伏發(fā)電補貼政策執(zhí)行，政策采用全電量補貼，即以光伏發(fā)出實際電量為準(zhǔn)，每度電補助0.37元/度。

4.3 家庭用電需求及發(fā)電量

根據(jù)常規(guī)用電指標(biāo)，住宅以50 W/m2計算電力負(fù)荷，以建筑面積140 m2的住宅為例，家庭用電需求約為7 kW。

按重慶標(biāo)準(zhǔn)日照時間每年1 600 h，系統(tǒng)綜合效率80%(一般取值為75%～85%)計算，安裝容量7 kW的家庭年發(fā)電量約為8 960度，日發(fā)電量約為24度。

4.4 投資收益估算

4.4.1投資成本估算

從全國范圍來看，目前太陽能光伏發(fā)電的成本為6元/W～8元/W。本文取上限值，按照8元/W計算，裝機(jī)容量7 kW的家庭太陽能光伏發(fā)電的投資成本為5.6萬元，該費用包含了設(shè)計、設(shè)備、施工及并網(wǎng)等。

4.4.2收益估算

按照自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的并網(wǎng)模式，家庭光伏發(fā)電的收益主要包含以下兩部分：

1)政府補貼收入。按照現(xiàn)行的每度電補助0.37元/度的國家政策，年補貼收入為0.37×8 960=3 315.2元。

2)節(jié)省的電費。家庭用電自發(fā)自用，無需再從電力公司購買，按全額用完考慮，避免電費支出0.52×8 960=4 659.2元。(未考慮階梯電價，電價按0.52元/度計算)。

綜上，年度總收益為3 315.2+4 659.2=7 974.4元。

4.4.3結(jié)論

按照上述粗略計算，重慶地區(qū)裝機(jī)容量7 kW的家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資成本為5.6萬元，年收益為7 974.4萬元，約7年收回成本。光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用年限一般為25年，收回成本后可免費用電并獲得收益，因此家庭光伏發(fā)電在重慶是可行的。

5 家庭太陽能光伏發(fā)電存在的問題

近幾年，在國家政策的指引下，我國光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，但同時還存在眾多制約行業(yè)持續(xù)發(fā)展的突出問題。

5.1 所處地域太陽能資源的限制

我國大部分地區(qū)年日照時數(shù)大于2 000 h，年平均輻射量在5 000 MJ/m2以上，太陽能資源豐富，此類地區(qū)尤其適合發(fā)展家庭光伏產(chǎn)業(yè)。但仍存在部分地區(qū)由于太陽輻射資源的原因，家庭光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。對于太陽資源條件較差的區(qū)域，建設(shè)家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用價值較低，因此限制了光伏發(fā)電技術(shù)在全國范圍內(nèi)的普及。

5.2 受物理空間的限制

首先，建設(shè)家庭光伏電站對建筑形式和所占空間面積有一定要求，電站每千瓦需要10 m2左右的光伏板，本文中的案例裝機(jī)量7 kW需要約70 m2，且對安裝角度有一定限制，較為適合在屋頂安裝，而我國屋頂屬業(yè)主共有，這點與國外有很大不同，國外大部分房屋是小別墅，屋頂產(chǎn)權(quán)清晰，安裝方便，而我國城市居民樓多為高樓，屋頂資源與電力用戶資源嚴(yán)重不匹配，難以實現(xiàn)家家戶戶安裝光伏電站。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益依賴補貼，收益結(jié)算滯后

光伏發(fā)電項目按照國家有關(guān)政策給予發(fā)電業(yè)主補貼，除國家補貼外，部分地方政府也有相應(yīng)的補貼支持，而部分地區(qū)無地方性補貼，居民受益難以確保，導(dǎo)致光伏推廣速度緩慢。更有部分地區(qū)存在補貼發(fā)放不及時，發(fā)放周期較長的情況，造成用戶資金壓力。此外，國家逐年下調(diào)光伏發(fā)電補貼標(biāo)準(zhǔn)，一些地方性補貼也逐漸消失取消，補貼下降速度遠(yuǎn)超預(yù)期，用戶收益下降，支持光伏產(chǎn)業(yè)的熱情減退。

5.4 光伏行業(yè)準(zhǔn)入機(jī)制欠完善，質(zhì)量難以保證

我國光伏市場起步不久，有光伏行業(yè)品牌企業(yè)進(jìn)入，也有許多專業(yè)實力弱的企業(yè)進(jìn)入，出現(xiàn)了信用資質(zhì)、產(chǎn)品品質(zhì)、售后服務(wù)等方面參差不齊，部分經(jīng)銷商、代理商、集成安裝商以次充好，安裝操作不規(guī)范，利用民居對光伏產(chǎn)品安裝和售后服務(wù)缺乏了解，用低價吸引居民的情況，質(zhì)量難以保證，造成一定安全隱患，且系統(tǒng)效率大大降低。

6 結(jié)語

雖然家庭光伏發(fā)電的發(fā)展過程中仍有不少問題需待解決，諸多方面有待完善，但任何新生事物的發(fā)展道路都不會是一帆風(fēng)順，推廣家庭光伏發(fā)電業(yè)一定也會是一條艱辛曲折的道路。從全國范圍內(nèi)光伏裝機(jī)容量逐年攀升的數(shù)據(jù)來看，家庭光伏發(fā)電應(yīng)用將會越來越廣泛這是毋容置疑的。目前我們已經(jīng)從不知到認(rèn)知，并從發(fā)展應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了問題進(jìn)而研發(fā)解決問題，相信家庭光伏發(fā)電未來的市場仍然很廣闊，光伏產(chǎn)品會越來越多地嵌入屋面瓦，玻璃幕墻、門窗等功能性傳統(tǒng)建筑材料里，光伏產(chǎn)業(yè)之路會越走越寬。