胡軍英，江民華，熊明輝，余修彬

(新余學(xué)院 新能源科學(xué)與工程學(xué)院，江西 新余 338000)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們的生活水平在不斷提高，導(dǎo)致人們用電的需求也逐年增加。傳統(tǒng)的電能主要是通過化石能源的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的，但是化石能源屬于不可再生能源，而且其廣泛應(yīng)用給生態(tài)環(huán)境造成了極大的威脅，不利于經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，清潔的可再生能源的開發(fā)與利用受到廣泛關(guān)注。

眾所周知，太陽能是近年來發(fā)展迅猛的可再生能源，它是人類可以自由利用且最豐富的清潔能源。世界上很多國家都將太陽能產(chǎn)業(yè)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)升級改造等方面都取得了長足進(jìn)步，發(fā)展?jié)摿薮?。在太陽能各種利用技術(shù)中，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是近年來發(fā)展起來的將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能的新型太陽能利用技術(shù)。光伏發(fā)電不僅可以減少化石能源的使用，而且可以減少CO2和有害氣體的排放，有效改善生態(tài)環(huán)境的惡化。因此大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。

近年來，光伏發(fā)電中的分布式發(fā)電受到人們的廣泛關(guān)注。分布式光伏發(fā)電主要指在用電側(cè)就地建設(shè)，以滿足用戶自用為主、多余電量并網(wǎng)為輔的發(fā)電設(shè)施。因此，具有就近利用、分散布局、因地制宜等特點(diǎn)。另外，與大型地面電站相比，還具有占地面積小、對電網(wǎng)依賴小、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，因此分布式光伏發(fā)電被認(rèn)為是未來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向[2]。

戶用分布式光伏系統(tǒng)是一種主要以滿足家庭用電的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡稱。一般而言，一個戶用分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的裝機(jī)容量在幾瓦到十幾瓦不等。它的規(guī)模可大可小，在發(fā)電過程中不會排放污染物質(zhì)，具有安裝方便，沒有噪音，整個壽命期間幾乎無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[3]。戶用分布式光伏系統(tǒng)在居民生活中可與智能家居進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，利用對電能管理系統(tǒng)的綜合分析，合理地平衡調(diào)控家庭用電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)，提高用電效率，節(jié)約用電成本[4]。因此，戶用分布式光伏系統(tǒng)的安裝建設(shè)能夠在一定程度上緩解當(dāng)?shù)氐挠秒娋o張狀況，為家庭提供一個新的供電渠道[5]。從長遠(yuǎn)來看，還可以有較為可觀的經(jīng)濟(jì)收益[6]。

由于投資者和科研人員對大型光伏電站的設(shè)計研究較多，而對這種小容量的分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)注較少，導(dǎo)致用戶在做安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的決策時比較迷茫。本文針對某一具體用戶，為其設(shè)計屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)方案，可為戶用分布式光伏系統(tǒng)的建設(shè)提供模板，也可為用戶研判投資建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)提供一定的參考，以促進(jìn)戶用分布式光伏電站產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計內(nèi)容

戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是對安裝場地的選擇、光伏陣列朝向和傾角、前后間距等因素的設(shè)計。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩大類。戶用分布式光伏系統(tǒng)主要采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，便于余電上網(wǎng)，其主要包括光伏組件、逆變器、控制器、數(shù)據(jù)采集器、防雷接地系統(tǒng)等幾大部分組成[7]。因此，對這些設(shè)備的選型和優(yōu)化也是重要的設(shè)計內(nèi)容之一。

(1)安裝地點(diǎn)。一般可選擇在自家屋頂或空地上，考慮因素包括可使用面積、房屋結(jié)構(gòu)、承重要求、地面基礎(chǔ)情況和氣象水文條件等。

(2)光伏組件及其他設(shè)備的選型。目前技術(shù)比較成熟且性能比較穩(wěn)定的光伏組件主要是單晶硅和多晶硅這兩種類型。前者的單體光電轉(zhuǎn)換效率相對較高，但是建設(shè)成本也相對較高，經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。多晶硅光伏組件的單體光電轉(zhuǎn)換效率相對單晶要稍低一些，但其生產(chǎn)成本優(yōu)勢比較顯著，所以綜合經(jīng)濟(jì)效益更為可觀，因此得到大量使用。其他設(shè)備，如逆變器、控制器、數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)裝機(jī)容量和用戶需要進(jìn)行篩選。

(3)光伏陣列朝向和傾角計算。戶用分布式光伏系統(tǒng)采用固定的光伏方陣從成本上較為經(jīng)濟(jì)。根據(jù)安裝地點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，計算出不同傾斜面的太陽輻射量，優(yōu)化出太陽能光伏陣列最佳安裝傾角[8]。

(4)太陽電池方陣間距計算

當(dāng)組件不是直接安裝在房屋的“人字”屋頂時，而是安裝在平面屋頂時，要計算太陽能電池組件方陣前后的最小間距，以防遮擋。一般確定間距的原則是冬至的早上九時至下午三時前后的方陣不被遮擋。其間距的具體數(shù)據(jù)按照有關(guān)數(shù)學(xué)模型來計算[9]。

2.2 設(shè)計參數(shù)

本文所設(shè)計的電站為分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，地點(diǎn)在江西省都昌縣某村，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)116.2度和北緯29.4度，海拔14米。利用氣象數(shù)據(jù)軟件Meteonorm 7.0可查得項(xiàng)目的詳細(xì)氣候數(shù)據(jù)(表1)。為保障家庭用電量的需求，擬設(shè)計一個裝機(jī)容量為6.24 KW的戶用分布式光伏系統(tǒng)。根據(jù)表1查得的信息，利用PVsyst模擬軟件先進(jìn)行初步模擬，其輸出結(jié)果報告單包含本項(xiàng)目的各項(xiàng)參數(shù)，包括方陣的傾斜角、方陣之間的間距、方陣所需要的面積、傾斜面上輻射量等信息(表2)。

表1 項(xiàng)目所在地的氣候信息

表2 PVsyst模擬的輸出結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)一步核算和優(yōu)化各部分物料清單，主要包括直流部分，交流部分和支撐結(jié)構(gòu)部分等3個方面(表3)，其他小零件省略。整個發(fā)電系統(tǒng)的電氣主結(jié)構(gòu)見圖1。

表3 主要物料清單

圖1 戶用分布式光伏系統(tǒng)電氣主結(jié)構(gòu)

(1)太陽能電池板

根據(jù)6.24 KW的裝機(jī)容量的要求，本系統(tǒng)選用24塊功率為260 Wp的某品牌太陽能電池板，其具體參數(shù)如表4所示。

表4 太陽能電池板具體信息

(2)并網(wǎng)微型逆變器

微型逆變器是直接將太陽能組件發(fā)出來的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的設(shè)備[10]，安裝在太陽能組件下面。該微型逆變器具有最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum power point tracking)功能，可以很好的跟蹤太陽光強(qiáng)度的變化而控制不同的輸出功率，有效地捕捉與收集陽光。該逆變器采用了優(yōu)先將電力傳輸供給負(fù)載的技術(shù)，多余電量再向電網(wǎng)傳輸。

(3)數(shù)據(jù)采集器

監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。PC端采用無線wifi方式/RS232串口對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可實(shí)時控制逆變器的開關(guān)，調(diào)整功率。數(shù)據(jù)采集器采用電力線載波信號采集微型逆變器的實(shí)時數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絇C/手機(jī)等設(shè)備，對發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。它是逆變器及PC間的通訊橋梁[11]。

(4)濾波器

濾波器的功能是有效地過濾區(qū)域之間的雜亂信號，排除電力線信號相互之間的干擾。選用的通訊型濾波器可以計算通過濾波器的功率，以無線wifi的方式傳送到PC端進(jìn)行監(jiān)控管理。

3 項(xiàng)目施工與維護(hù)

3.1 項(xiàng)目施工

(1)本項(xiàng)目在居民平面屋頂上進(jìn)行安裝，因此需要在屋頂上做好水泥墩，并固定好支架。太陽能組件安裝時要緊密平行排列，一方面是充分利用建筑面積，另一方面是避免夾縫中掉入雜物，難以清除(組件方陣個體結(jié)構(gòu)圖見圖2)。(2)微型逆變器及組件之間的串聯(lián)連接線需要固定在導(dǎo)軌上，在接入交流匯流箱的過程中，需將線纜穿入PVC線管中，避免直接暴露在外，可延長使用壽命。(3)為了消除雷雨天氣給發(fā)電系統(tǒng)帶來的安全隱患，防止直接雷擊對光電場和配電室等系統(tǒng)器件的損壞，需要對發(fā)電系統(tǒng)安裝防雷與接地裝置。(4)發(fā)電系統(tǒng)安裝完成后，要對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行測試。一方面測試各部分連接情況，確保各個組件正常運(yùn)行和消除孤島效應(yīng)；另一方面測試發(fā)電的穩(wěn)定性，確保符合國家標(biāo)準(zhǔn)。整個系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定后，通過國家電力部門審核后就可以順利并網(wǎng)。整個項(xiàng)目平面圖及安裝效果圖見圖3。

圖2 組件方陣個體結(jié)構(gòu)圖

圖3 項(xiàng)目平面圖及安裝效果圖

3.2 項(xiàng)目維護(hù)

本系統(tǒng)為太陽能微逆變并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，具備模塊化安裝、零維護(hù)、低壓安全、發(fā)電效率高、使用壽命長等特點(diǎn)。所選用的組件和系統(tǒng)設(shè)備符合國家標(biāo)準(zhǔn)，對電網(wǎng)安全無危害，在建成發(fā)電后無需維護(hù)，使用電腦遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動無故障運(yùn)行。即使某組件出現(xiàn)損壞，只需要更換該組件即可，無需停止整個系統(tǒng)的運(yùn)行，整個操作過程安全可靠，對維護(hù)人員無安全威脅。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

(1)投資成本計算

本系統(tǒng)為裝機(jī)容量為6.24 KW的戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)2020年江西瑞安(瑞晶太陽能科技)有限公司的戶用平面屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)成本報價，約為3.2元/W，所以本項(xiàng)目的投資成本(Cost，計為C)約為：

C=Pm×3.2=19968元

(2)年平均發(fā)電量計算

按照峰值標(biāo)準(zhǔn)小時數(shù)計算方法[12]，即g=Pm×h1×y×

其中：g：日均發(fā)電量；

1.2 農(nóng)村地區(qū)信息貧困的歸因研究 何雋等[15]對貴州農(nóng)村信息貧困調(diào)查研究，趙奇釗等[11]對武陵山片區(qū)信息化發(fā)展水平評價與信息貧困研究，張孟嘉[16]對安徽農(nóng)村信息環(huán)境調(diào)研及分析，孫貴珍等[17]對河北城鄉(xiāng)信息化相關(guān)因素比較研究，李玉華[18]對吉林省農(nóng)村信息貧困因素分析，唐樂融[19]和李鋼等[9]分別對河南省鶴壁市淇濱區(qū)、洛寧縣和欒川縣農(nóng)村信息狀況進(jìn)行調(diào)查報告，通過對上述文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)這些研究者都將信息貧困與我國的農(nóng)村地區(qū)聯(lián)系起來研究，重點(diǎn)研究農(nóng)民這一信息貧困群體，他們歸結(jié)出信息貧困主要有以下形成原因。

Pm：光伏組件總功率，即Pm=6.24 KW；

h1：峰值日照時數(shù)，根據(jù)h1=(組建傾斜面上的年輻射量/1KW/m2)/365天，所以，h1=(1315 KWh/m2/1 KW/m2)/365 d=3.6 h/d；

y：轉(zhuǎn)換系數(shù)(即傾斜面與平面的輻射量比值=1.05～1.15，本設(shè)計取值為1.1)；

綜合以上數(shù)據(jù)可得本系統(tǒng)每天發(fā)電量g：

g=Pm×h1×y×=6.24 KW×3.6 h/d×1.1×0.54=13.34 KWh/d

由此可推算出一年的總發(fā)電量：

W=Pm×D=13.34 KWh/d×365 d=4870 KWh

(3)回報周期計算

根據(jù)國家發(fā)展改革委員會《關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》(發(fā)改價格〔2020〕號)，戶用分布式光伏電站按照0.08元/kWh的度電補(bǔ)貼。如果發(fā)電總量全部自用，則收益包括兩部分：一是國家每度電補(bǔ)貼0.08元，每年補(bǔ)貼收益(Subsidy)為4870×0.08=389.6元；二是節(jié)省下來的自用電費(fèi)收益(electricity fee)為4870×0.6=2922元(此處按目前的基本電費(fèi)0.6元/度計算，如果按照階梯電價，該項(xiàng)收益更高)。則回收周期(Return on Investment)計為RI1，可根據(jù)下列(式1)進(jìn)行計算。

如果總發(fā)電的一半電量自用，另一半上網(wǎng)來計算收益(自用比例越高收益越高)。所以，其收益包括三部分：一是國家每度電補(bǔ)貼389.6元；二是節(jié)省下來的自用電費(fèi)收益(electricity fee)為4870×0.5×0.6=1461元；三是銷售給國家電網(wǎng)(Grid)的收益為4870×0.5×0.42=1022.7元(此處按2020年的標(biāo)準(zhǔn)0.42元/度的售價計算)。則回收周期(Return on Investment)計為RI2，可根據(jù)下列(式2)進(jìn)行計算。

(式1)

(式2)

其中：RI：回收周期(Return on Investment)；C：項(xiàng)目的投資成本(Cost)；S：每年補(bǔ)貼收益(Subsidy)；F：每年自用電費(fèi)收益(electricity fee)；G：銷售給國家電網(wǎng)的收益(Grid)

根據(jù)以上投資成本、發(fā)電量和回報周期的計算，RI1約為6.02年，RI2約為6.95年，即本系統(tǒng)只需要6～7年就可以收回成本。另外，本項(xiàng)目使用微逆變發(fā)電技術(shù)可以有效地保護(hù)太陽能電池板免遭熱斑效應(yīng)的損害，有效地降低太陽能電池的效率衰減和延長太陽能電池的使用壽命，所以經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

4.2 環(huán)境效益

光伏發(fā)電是可再生的清潔能源，不會直接消耗資源，也無任何有毒有害或溫室氣體排放，對自然環(huán)境無任何影響。根據(jù)國際能源署《世界能源展望 2007》，CO2排放指數(shù)為0.814 kg/KWh。我國火電廠每發(fā)電上網(wǎng)1度電，需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤 305 g，排放6.2 g的硫氧化物(SOx)和2.1 g的氮氧化物(NOx)，對生態(tài)環(huán)境造成不利的影響。該光伏發(fā)電系統(tǒng)按以上數(shù)據(jù)來計算，其年發(fā)電量為4870 KWh，和火力發(fā)電相比，每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約為1.5噸，每年可減少溫室氣體CO2排放4噸，大氣污染氣體SO2和NOx約分別減少30 kg和10 kg的排放。此外，還能節(jié)約用地和節(jié)約用水，減少其它發(fā)電方式產(chǎn)生的廢水。由此可見，該屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很好的環(huán)境效益。

由于本發(fā)電系統(tǒng)安裝在建筑物的屋頂上，具有良好的吸熱和遮陽效果，冬天對建筑物有一層保溫措施，夏天起一定的隔熱效果。這也在一定程度上降低室內(nèi)的能耗，間接起到節(jié)能減排的效果。

5 結(jié)語

本文以江西省都昌縣的某村居民屋頂為項(xiàng)目安裝地址。依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，利用PVsyst軟件進(jìn)行初步輔助設(shè)計，再對系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行具體選型和優(yōu)化，設(shè)計了一套適合戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)方案。該發(fā)電系統(tǒng)選用了多晶高效太陽能電池組件作為發(fā)電設(shè)備，其他設(shè)備按照并網(wǎng)系統(tǒng)的要求進(jìn)行配置。本發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計裝機(jī)容量為6.24 KW，完全能夠滿足一個普通農(nóng)村家庭對用電量的需求。另外，該項(xiàng)目一次性投資建成后可以遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，無需維護(hù)成本。根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益計算分析，本文設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)回報周期約6～7年，而使用壽命可達(dá)25年以上，即用戶可以免費(fèi)獲利近20年，具有很高的投資回報。另外，相對火力電站，減少了溫室氣體、有毒有害氣體排放，具有很好的環(huán)境效益。

在分布式光伏電站推廣初期，國家對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)非常重視，國家和地方政府都相繼出臺了一系列的補(bǔ)貼政策以促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近幾年，由于光伏技術(shù)和市場不斷成熟，電站建設(shè)成本顯著下降，國家和地方的建設(shè)補(bǔ)貼在逐年減少，但經(jīng)濟(jì)效益還是非?？捎^。目前，隨著人們環(huán)保節(jié)能意識的提高，我國的分布式光伏應(yīng)用市場發(fā)展較為迅速，戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)千家萬戶。但目前我國的戶用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)無論在技術(shù)上還是在使用比例上和國外相比還有一定差距，主要表現(xiàn)為技術(shù)水平不高，首次投資金額較大[13]，老百姓對此的認(rèn)識和接受度不高。目前我國戶用分布式光伏發(fā)電量在居民用電總量中的占比偏低。因此，我國還必須不斷加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使太陽能光伏產(chǎn)業(yè)成為能源產(chǎn)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。