屋頂式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

李永華，袁 超，蒲 亮

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域從航天、國防、工業(yè)轉(zhuǎn)向了民用。德國的“百萬屋頂計劃”使許多家庭不僅利用太陽能光伏發(fā)電解決了自家供電，而且這些家庭還辦成了私人的“小型電站”，能夠源源不斷地向公用電網(wǎng)輸送電能。我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢。2011年8月1日，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于完善太陽能光伏發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》，明確規(guī)定7月1日前后核準(zhǔn)的光伏發(fā)電項目的上網(wǎng)電價分別為1.15元/kW·h和1元/kW·h，這標(biāo)志著國內(nèi)光伏發(fā)電商業(yè)化時代的開啟，極大地拉動了國內(nèi)光伏發(fā)展[1]。

而繼2012年國家電網(wǎng)公司啟動分布式光伏發(fā)電支持政策之后，2013年2月27日，國家電網(wǎng)公司在京召開“促進(jìn)分布式電源并網(wǎng)新聞發(fā)布會”，向社會正式發(fā)布《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見》，進(jìn)一步將示范范圍擴(kuò)大到天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能等新能源形式。這意味著，普遍用戶今后不但能用太陽能、天然氣等新能源發(fā)電裝置給自己家供電，還可以將用不完的電賣給電網(wǎng)，中小型太陽能光伏發(fā)電迎來了大力發(fā)展的時代[2]。

本文以此為研究背景，介紹了光伏發(fā)電的基本原理。為了能夠更直觀地了解中小型光伏發(fā)電(主要針對家庭屋頂式太陽能光伏發(fā)電)系統(tǒng)的成本與收益問題，對中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了一些參考。

1 光伏發(fā)電基本原理

太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是由半導(dǎo)體材料組成PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光子照射到半導(dǎo)體材料上時，產(chǎn)生電子——空穴對，并受由摻雜的半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)電場的吸引，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)。如果將外電路短路，則在外電路中就有與入射光通量成正比的光電流通過[3]。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子——空穴對越多，電流越大;界面層吸收的光能越多，界面層 (即電池面積)越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。

當(dāng)受光照射的太陽能電池接上負(fù)載時，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓，這時太陽能電池的工作情況可用圖1所示等效電路來描述[4]。

圖1 PN結(jié)太陽能電池等效電路圖Fig.1 PN-junction solar cell equivalent circuit diagram

圖1中，IL為將太陽能電池視為穩(wěn)定電流源所產(chǎn)生的光電流;Rsh為與太陽能電池并聯(lián)的電阻(也稱跨接電阻);Rs為串聯(lián)電阻。二極管的正向電流Id滿足:

式中:I0為無光照下二極管飽和電流;q為電子電荷;A為導(dǎo)帶電子濃度。

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載R的電流為I，負(fù)載的端電壓為U時，由圖1可得電池的輸出特性[5]:

圖3 中小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Small and medium solar PV system diagram

式中:P為太陽能電池被照射時，在負(fù)載R上得到的輸出功率。

當(dāng)負(fù)載R從0變到無窮大，即可得到圖2所示太陽能電池的負(fù)載特性曲線。

轉(zhuǎn)換效率是在外電路中連接最佳負(fù)載電阻R時，得到的最大能量轉(zhuǎn)換效率。在最佳外電阻下，電池輸出電流、電壓對應(yīng)的電池最大輸出功率Pmax，即圖2所示的M點 (最佳工作點)所對應(yīng)的輸出功率。

圖2 太陽能電池的負(fù)載特性曲線Fig.2 Load characteristics curve of solar cells

最大輸出功率與 (Uoc×Isc)之比稱為填充因子，記為 FF。設(shè)電池開路電壓 Voc、短路電流 Isc。[6]

式中:At為太陽能電池總面積;Pin為面積入射光功率。

不同工作溫度對效率有影響，隨溫度升高，各種太陽能電池的效率均要下降[7]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析建模

2.1 物理模型

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由太陽能電池方陣、控制器和逆變器等組成[8]，如圖3所示。

圖3中，太陽能電池方陣是指由多個太陽能組件互聯(lián)拼裝后成為可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率的方陣，而太陽能組件又是由多個單體太陽能電池互聯(lián)封裝而成。

控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ａ硗夤夥l(fā)電系統(tǒng)的控制器還具有下列功能:第一、狀態(tài)和參數(shù)檢測。第二、蓄電池的充、放電控制。充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。第三、設(shè)備的保護(hù)及設(shè)備故障診斷的定位。第四、運(yùn)行狀態(tài)指示。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的“向日葵”式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。

蓄電池組是將太陽電池方陣發(fā)出的直流電貯存起來，供負(fù)載使用。白天太陽能電池方陣給蓄電池充電，同時方陣還給負(fù)載用電，晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。

逆變器的作用是將太陽能電池方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220 V或380 V交流電，供給交流負(fù)載使用。逆變器按照運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。

2.2 數(shù)學(xué)模型

太陽能光伏電池陣列的總功率是由輻射參數(shù)和負(fù)載確定的。但是，實際輸出功率還與陣列表面的灰塵及長期使用后性能的衰減系數(shù)f、蓄電池庫侖效率ηb及逆變器的效率ηi有關(guān)。在綜合考慮上面因素的情況下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量如下式所示:

式中:Hy為年有效發(fā)電量，kW·h/年;W為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)總的峰值功率，W;ηb為蓄電池庫侖效率，0.8～0.92;ηi為逆變器的效率，0.9～0.96;f為衰減及灰塵等性能參數(shù)衰減系數(shù)，0.8～0.98;η為太陽能陣列輸出的峰瓦功率轉(zhuǎn)換成交流功率的總效率，0.6～0.87;DT(y)為年峰值日照時數(shù)[9]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的總投資為:

式中:W為光伏電池陣列的峰值功率;C0為光伏電池每瓦價格;A1為蓄電池相對于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.15～0.7;A2為控制器、逆變器相對于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.15～0.5;A3為支架、電纜等輔助設(shè)施相對于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.05～0.25;A4為其他費(fèi)用 (施工、運(yùn)輸?shù)?相對于光伏電池陣列的投資系數(shù)，0.05～0.15;A為光伏電池陣列以外的總投資系數(shù)，即

光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位 (電量)運(yùn)行費(fèi)用如下:

式中:OM為光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位 (電量)運(yùn)行費(fèi)用，元/kW·h;α相對于光伏電池陣列的運(yùn)行費(fèi)用系數(shù)，0.005～0.015;n為有效使用年限，一般n=20年。

2.3 實例計算與分析

2012年中國煤炭消費(fèi)量比上年增長2.5%;原油消費(fèi)量增長6.0%;天然氣消費(fèi)量增長10.2%;電力消費(fèi)量增長5.5%。國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)預(yù)計，中國煤炭消耗量到2014年將占全球煤炭需求量的50%。加之環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，綜合考慮，家庭式屋頂太陽能光伏發(fā)電還是具有很強(qiáng)的研究價值的，而國家更應(yīng)加大力度以提高“屋頂太陽能計劃”的實施[11]。

從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、易擴(kuò)展性等因素綜合考慮，設(shè)計中小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)時，光伏組件優(yōu)先選取晶硅組件。而就市場價格而言，單晶硅組件的價格最高，其次為高效多晶組件和多晶組件?？紤]性價比及設(shè)計目的，中小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是家庭式屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，選用多晶組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件。設(shè)計選用型號SYK240－30P外形尺寸為1 640 mm×992 mm×50 mm，單組最大功率為240 W的多晶硅太陽能發(fā)電板，市場價格大約是5～6元/W，基本參數(shù)如表1所示。

太陽能光伏電池的年發(fā)電量不但與輻射能量有關(guān)，而且與日照時數(shù)有關(guān)。但是，氣象臺站給出的實測日照時數(shù)是不同輻射強(qiáng)度下累加值，而光伏電池陣列輸出功率——峰瓦是在AM1.5，光伏電池溫度25℃，日照強(qiáng)度1 000 W/m2條件下的測試結(jié)果。因此，要把年實測日照時數(shù)換算成年峰值日照時數(shù)。

表1 設(shè)計選用的多晶硅太陽能電池板組件技術(shù)參數(shù)Tab.1 Design selection of poly solar panel components technical parameters

我國年太陽輻射總量及年日照數(shù)大致可以分為5大類，見表2。本實例依照第三類太陽輻射光照時間，即5 h/d計算。

由于系統(tǒng)需在連續(xù)沒有太陽能補(bǔ)充能量的情況下正常供電，所以需要選取經(jīng)濟(jì)又合適的蓄電池。假設(shè)在沒有太陽能補(bǔ)充能量的情況下要求系統(tǒng)正常工作5～7天，用電器滿負(fù)荷工作時間4 h/d，設(shè)計選用規(guī)格為12 V型號為150 AH的鉛酸免維護(hù)式蓄電池。

初步計算可得一個家庭屋頂式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的初投資如表3所示。

根據(jù)國家對屋頂式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)貼規(guī)定:離網(wǎng)光伏項目的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)是7～8元/W。2012年度的“金太陽示范工程”新的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)，財政部、科技部、國家能源局財建〔2012〕21號文件規(guī)定，并網(wǎng)項目如采用晶體硅組件可獲得9元/W的補(bǔ)貼。補(bǔ)貼會在項目申報結(jié)束且發(fā)電系統(tǒng)驗收成功后一次性發(fā)放。計算得補(bǔ)貼大約為50%的光伏系統(tǒng)成本。所以初步得初期投資由5.66萬元大約可以縮減為3.6萬元。系統(tǒng)綜合效率:74%，系統(tǒng)年發(fā)電量4 492.8 kW·h，系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用:約占初投資的0.43%，即243.38元。如享受上網(wǎng)標(biāo)桿電價1元/kW·h，按每度1元的價格賣給電網(wǎng)，則年收益4 315.64元。綜合考慮可得大概用7年左右的時間收回成本，一般太陽能電池板的壽命是20～25年，而如果有第二期投資，第二期工程只需更換出問題的太陽能電池板即可。所以分析可得中小型屋頂式太陽能光伏發(fā)電還是有投資的可行性的;但項目的凈利潤不是很高，這和太陽能電池的成本和其光電轉(zhuǎn)換效率有著密切的關(guān)系。

表3 小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)初投資Tab.3 Small on-grid PV power system investments

3 結(jié)論

(1)家庭屋頂式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，如享受上網(wǎng)標(biāo)桿電價1元/kW·h，按1元/kW·h的價格賣給電網(wǎng)，還是有投資的可行性的;但項目的凈利潤不是很高，這和太陽能電池的成本和其光電轉(zhuǎn)換效率有著密切的關(guān)系。

(2)降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本:第一，盡可能提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率;第二，降低太陽能電池以及蓄電池成本;第三，進(jìn)一步提高控制器、逆變器的效率，以降低系統(tǒng)綜合能耗量。

(3)鑒于我國的能源和環(huán)境狀況及國家的相關(guān)政策，家庭屋頂式太陽能光伏發(fā)電有著很大發(fā)展空間，具有很好的應(yīng)用前景。