王紫葉，劉映彤，張曉瑀，彭雙梅

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北，宜昌 443002；2.三峽大學 計算機與信息學院，湖北，宜昌 443002)

0 引 言

近年來，為響應環(huán)保理念加大清潔能源的使用比例，我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，光伏發(fā)電系統(tǒng)日趨完善，相關(guān)科研技術(shù)與設(shè)備性能也逐步提高[1-3]。2016年，我國發(fā)布《關(guān)于實施光伏發(fā)電扶貧工作意見》，為光伏農(nóng)業(yè)與扶貧相結(jié)合提供了政策保障，因而如何將光伏農(nóng)業(yè)更好的應用到貧困地區(qū)成為扶貧工作中的一個重要問題[4-5]。

關(guān)于光伏發(fā)電方案的設(shè)計和應用，國內(nèi)外學者針對不同地區(qū)的地形和氣候特點設(shè)計了不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)。文獻[6]針對圖書館空閑屋頂設(shè)計了一套運用多晶硅太陽組件、10 kW組串式逆變器等組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)。文獻[7]設(shè)計了應用于東莞市的10.6 kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中同樣對系統(tǒng)的組件進行了細致的選擇，并且采用分布式的系統(tǒng)。文獻[8]闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同建筑方面的應用，如建筑外墻體、建筑屋頂、建筑天窗。以上的光伏發(fā)電系統(tǒng)均針對屋頂式、天窗式、墻外式光伏發(fā)電，而未涉及到光伏農(nóng)業(yè)發(fā)電系統(tǒng)。

在此背景下，本文針對宜昌市五峰縣苦竹坪村的地形和氣候條件，設(shè)計了一套最優(yōu)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)效益計算模型，預測并計算出當?shù)氐墓夥l(fā)電量及經(jīng)濟效益。

1 苦竹坪村光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 苦竹坪村光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

苦竹坪村屬喀斯特地貌，亞熱帶氣候，人口密度低，人均用電量少，正好適合發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。目前苦竹坪村沒有建立光伏發(fā)電系統(tǒng)，并且有較為廣闊的可利用面積，因此擬在苦竹坪村已建成的約1 000 m2蘑菇大棚上進行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

由于苦竹坪村人口居住分散且較為偏遠，光伏發(fā)電系統(tǒng)的建立采用戶用分布式光伏發(fā)電，其技術(shù)形式相對簡單且易于實施，在發(fā)電過程中噪聲小且污染較少,同時能夠降低遠距離輸送電能的損耗。其產(chǎn)生的光伏電能不僅能滿足村民的用電需求，還能將多余電量并入電網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過光伏專用線將產(chǎn)生的直流電輸入逆變器,逆變器再將直流電轉(zhuǎn)化成符合電網(wǎng)要求的交流電后接入配電網(wǎng)。系統(tǒng)產(chǎn)生的電能一部分被附近建筑物中負荷消納，其余的電能送入電網(wǎng)。如果系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不足以供給負載時，電網(wǎng)將向交流負載供電。

根據(jù)此光伏發(fā)電的原理，同時綜合考慮苦竹坪村的地形、氣候條件及經(jīng)濟效益等因素，設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1。

光伏系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮太陽電池板及逆變器組件的選擇，同時還需考慮組件的安裝方式和并網(wǎng)方案。此方案中選用光電轉(zhuǎn)換率高、電能消耗少、性價比高的多晶硅太陽能電池，選用更易維護、發(fā)電效率高的微型逆變器。在組件的安裝方面，由于苦竹坪村將形成蘑菇與光伏發(fā)電結(jié)合的產(chǎn)業(yè)趨勢，光伏電池板將安裝在大棚上，因而選用成本低、無需外加智能設(shè)備的大棚外加裝太陽能組件的安裝方式。其安裝方式如圖2。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖2 塑料大棚外加裝太陽能組件效果圖

此方案中將太陽能電池板安裝在大棚頂部，裝機容量為5.2 kWp，采用60塊(6行5列)260 Wp多晶硅光伏組件，使用6臺1 kW微型逆變器，逆變器輸出電壓為三相交流400 W。每10塊多晶硅光伏組件為一串，串1臺1 kW微型逆變器，然后通過6匯1的交流匯流箱進行匯流后，送入升壓變壓器的低壓側(cè)，經(jīng)箱變升壓器至10 kV后接至光伏電站10 kV開關(guān)站。最后經(jīng)10 kV架空線路送至距大棚最近的35 kV變電站10 kV側(cè)。

2 苦竹坪村光伏發(fā)電量計算及效益預估

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的計算

光伏系統(tǒng)中各光伏組件效率的不同會使系統(tǒng)效率不同，影響系統(tǒng)效率的因素包括光伏陣列的效率、逆變器的轉(zhuǎn)換效率和交流并網(wǎng)效率。光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率公式為:

η=η1η2η3

(1)

式中，η為光伏發(fā)電系統(tǒng)效率；η1為光伏陣列效率；η2為逆變器的轉(zhuǎn)換效率；η3為交流并網(wǎng)效率。

光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量：

qi=wηt

(2)

式中，qi為第i月光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量；w為項目裝機容量；η為光伏發(fā)電系統(tǒng)效率；t為傾斜面年峰值日照小時數(shù)。

通過NASA數(shù)據(jù)庫得到平均每月峰值日照小時數(shù)，傾斜面年峰值日照小時數(shù)可由每月峰值日照小時數(shù)累加得到。由此估算苦竹坪村居民光伏發(fā)電系統(tǒng)各月發(fā)電量,如圖3所示。

苦竹坪村光伏系統(tǒng)發(fā)電量在1、2、11、12月時光伏系統(tǒng)發(fā)電量少，此時苦竹坪村正處于冬季，日照時間較少。7月份發(fā)電量達到峰值，苦竹坪村正處于夏季，日照充足。6月份發(fā)電量減少，此時苦竹坪村處于梅雨季節(jié)，因而有小的波動。通過上述分析，處在亞熱帶地區(qū)的苦竹坪村各月光伏發(fā)電量與當?shù)孛吭绿鞖饩o密相關(guān)。若苦竹坪村不發(fā)生大的災害，其光伏系統(tǒng)在冬季的發(fā)電量也能滿足當?shù)鼐用袢粘Ｉ睢?/p>

圖3 苦竹坪村2017年光伏系統(tǒng)各月發(fā)電量

2.2 光伏發(fā)電收益估算

本項目安裝容量為5.2 kWp，按照宜昌市五峰土家族自治縣采花鄉(xiāng)苦竹坪村平均每月光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、平均每月居民用電量、五峰地區(qū)電價、國家和地方補貼、光伏發(fā)電每年運行維護成本等估算本項目收益。

光伏發(fā)電每年運行維護所需費用為:

Sg=agwc

(3)

式中，Sg為光伏發(fā)電每年運行維護所需費用；ag為光伏發(fā)電運行維護率；w為光伏發(fā)電裝機容量；c為單位裝機容量的成本。

光伏發(fā)電每年損耗費用為：

(4)

式中，S1為光伏發(fā)電每年損耗費用；qgi為并網(wǎng)光伏月上網(wǎng)電量；qhi為并網(wǎng)光伏月自發(fā)自用電量；cg為政府補貼電價；ch為當?shù)厝济簷C組標桿上網(wǎng)電價；a1為年線損失率。

光伏發(fā)電的收入構(gòu)成主要包括光伏發(fā)電年上網(wǎng)電量收入和政府每年電價補貼收入，還包括每年節(jié)省的電費收入。

光伏發(fā)電年上網(wǎng)電量收入為：

(5)

政府每年電價補貼收入為：

(6)

節(jié)省的每年電費收入為：

(7)

式中，Ce為節(jié)省的每年電費收入；ck為平均售電價格。

光伏發(fā)電總收入為：

(8)

2.3 光伏發(fā)電在苦竹坪村收益預估

苦竹坪村平均每戶居民有5.2 kWp的光伏系統(tǒng)安裝容量，以光伏設(shè)備壽命周期按 15 年考慮，光伏設(shè)備運維率為1%，線損失率為4%，根據(jù)湖北省物價局可得到當?shù)厝济簷C組標桿上網(wǎng)電價為0.4161元，政府補貼電價為0.96，平均售電價格為0.5。根據(jù)實地調(diào)研得到苦竹坪村平均每戶居民每月用電量如表1所示。

表1 2017年苦竹坪村平均每戶居民每月用電量

將以上參數(shù)代入計算,可得

(1)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率：

η=0.8184

(2)光伏發(fā)電每年運行維護所需費用為：

Sg=200.00

(3)光伏發(fā)電每年損耗費用為：

S1=221.76

(4)光伏發(fā)電年上網(wǎng)電量收入為：

Cb=1 326.60

(5)政府每年電價補貼收入為：

Cg=4 217.30

(6)節(jié)省的每年電費收入為：

Ce=602.50

綜上可得到苦竹坪村平均每戶居民一年的光伏收入可達5 724元。此數(shù)據(jù)以2017年平均每戶居民用電量和平均每月日照時間為例算得，由于未來十年平均每戶居民用電量和平均每月日照時間變化不大，可預測未來苦竹坪村平均每戶居民一年的光伏收入在5 700元左右。

4 結(jié) 論

(1)在光伏并網(wǎng)設(shè)計時考慮五峰縣苦竹坪村的地形和氣候因素，選用多晶硅太陽能電池作為光伏組件、微型逆變器、大棚外加裝太陽能組件的安裝方式。

(2)在每戶農(nóng)民光伏發(fā)電面積約為120 m2、國家補貼苦竹坪村每度電為0.96元的前提下，初步可以估測苦竹坪村每戶居民每年光伏發(fā)電收益約為5 700元。

(3)隨著光伏產(chǎn)業(yè)在當?shù)氐牟粩喟l(fā)展，光伏發(fā)電產(chǎn)生的利潤也會逐年上升。目前苦竹坪村居民每年人均可支配收入為7 828元，光伏產(chǎn)業(yè)無疑可為當?shù)卮迕裨黾硬簧俚氖杖?，推動扶貧工作的進行。