屋顶式太阳能光伏发电系统经济性分析

2013-08-11李永华

电力科学与工程 2013年9期

李永华，袁超，蒲亮

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

0 引言

随着太阳能光伏发电技术的发展，发达国家如美国、德国、日本的光伏发电应用领域从航天、国防、工业转向了民用。德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能光伏发电解决了自家供电，而且这些家庭还办成了私人的“小型电站”，能够源源不断地向公用电网输送电能。我国太阳能光伏发电产业呈现出快速发展趋势。2011年8月1日，国家发改委发布《关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》，明确规定7月1日前后核准的光伏发电项目的上网电价分别为1.15元/kW·h和1元/kW·h，这标志着国内光伏发电商业化时代的开启，极大地拉动了国内光伏发展[1]。

而继2012年国家电网公司启动分布式光伏发电支持政策之后，2013年2月27日，国家电网公司在京召开“促进分布式电源并网新闻发布会”，向社会正式发布《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，进一步将示范范围扩大到天然气、生物质能、风能等新能源形式。这意味着，普遍用户今后不但能用太阳能、天然气等新能源发电装置给自己家供电，还可以将用不完的电卖给电网，中小型太阳能光伏发电迎来了大力发展的时代[2]。

本文以此为研究背景，介绍了光伏发电的基本原理。为了能够更直观地了解中小型光伏发电(主要针对家庭屋顶式太阳能光伏发电)系统的成本与收益问题，对中小型光伏发电系统的整体经济性进行了详细的论述，为中小型光伏发电系统的发展提供了一些参考。

1 光伏发电基本原理

太阳能电池能量转换的基础是由半导体材料组成PN结的光生伏特效应。当光子照射到半导体材料上时，产生电子——空穴对，并受由掺杂的半导体材料组成的PN结电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区。如果将外电路短路，则在外电路中就有与入射光通量成正比的光电流通过[3]。通过光照在界面层产生的电子——空穴对越多，电流越大;界面层吸收的光能越多，界面层 (即电池面积)越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

当受光照射的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图1所示等效电路来描述[4]。

图1 PN结太阳能电池等效电路图Fig.1 PN-junction solar cell equivalent circuit diagram

图1中，IL为将太阳能电池视为稳定电流源所产生的光电流;Rsh为与太阳能电池并联的电阻(也称跨接电阻);Rs为串联电阻。二极管的正向电流Id满足:

式中:I0为无光照下二极管饱和电流;q为电子电荷;A为导带电子浓度。

当流进负载R的电流为I，负载的端电压为U时，由图1可得电池的输出特性[5]:

图3 中小型太阳能光伏发电系统结构图Fig.3 Small and medium solar PV system diagram

式中:P为太阳能电池被照射时，在负载R上得到的输出功率。

当负载R从0变到无穷大，即可得到图2所示太阳能电池的负载特性曲线。

转换效率是在外电路中连接最佳负载电阻R时，得到的最大能量转换效率。在最佳外电阻下，电池输出电流、电压对应的电池最大输出功率Pmax，即图2所示的M点 (最佳工作点)所对应的输出功率。

图2 太阳能电池的负载特性曲线Fig.2 Load characteristics curve of solar cells

最大输出功率与 (Uoc×Isc)之比称为填充因子，记为 FF。设电池开路电压 Voc、短路电流 Isc。[6]

式中:At为太阳能电池总面积;Pin为面积入射光功率。

不同工作温度对效率有影响，随温度升高，各种太阳能电池的效率均要下降[7]。

2 光伏发电系统经济性分析建模

2.1 物理模型

太阳能光伏发电系统主要是由太阳能电池方阵、控制器和逆变器等组成[8]，如图3所示。

图3中，太阳能电池方阵是指由多个太阳能组件互联拼装后成为可以满足负载所要求的输出功率的方阵，而太阳能组件又是由多个单体太阳能电池互联封装而成。

控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外光伏发电系统的控制器还具有下列功能:第一、状态和参数检测。第二、蓄电池的充、放电控制。充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。第三、设备的保护及设备故障诊断的定位。第四、运行状态指示。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。

蓄电池组是将太阳电池方阵发出的直流电贮存起来，供负载使用。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

逆变器的作用是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220 V或380 V交流电，供给交流负载使用。逆变器按照运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

2.2 数学模型

太阳能光伏电池阵列的总功率是由辐射参数和负载确定的。但是，实际输出功率还与阵列表面的灰尘及长期使用后性能的衰减系数f、蓄电池库仑效率ηb及逆变器的效率ηi有关。在综合考虑上面因素的情况下，太阳能光伏发电系统的年发电量如下式所示:

式中:Hy为年有效发电量，kW·h/年;W为太阳能光伏发电系统总的峰值功率，W;ηb为蓄电池库仑效率，0.8～0.92;ηi为逆变器的效率，0.9～0.96;f为衰减及灰尘等性能参数衰减系数，0.8～0.98;η为太阳能阵列输出的峰瓦功率转换成交流功率的总效率，0.6～0.87;DT(y)为年峰值日照时数[9]。

光伏发电系统的总投资为:

式中:W为光伏电池阵列的峰值功率;C0为光伏电池每瓦价格;A1为蓄电池相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.7;A2为控制器、逆变器相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.5;A3为支架、电缆等辅助设施相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.25;A4为其他费用 (施工、运输等)相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.15;A为光伏电池阵列以外的总投资系数，即

光伏发电系统的单位 (电量)运行费用如下:

式中:OM为光伏发电系统的单位 (电量)运行费用，元/kW·h;α相对于光伏电池阵列的运行费用系数，0.005～0.015;n为有效使用年限，一般n=20年。

2.3 实例计算与分析

2012年中国煤炭消费量比上年增长2.5%;原油消费量增长6.0%;天然气消费量增长10.2%;电力消费量增长5.5%。国际能源机构(IEA)预计，中国煤炭消耗量到2014年将占全球煤炭需求量的50%。加之环境污染越来越严重，综合考虑，家庭式屋顶太阳能光伏发电还是具有很强的研究价值的，而国家更应加大力度以提高“屋顶太阳能计划”的实施[11]。

从经济性、可靠性、易扩展性等因素综合考虑，设计中小型太阳能光伏发电系统时，光伏组件优先选取晶硅组件。而就市场价格而言，单晶硅组件的价格最高，其次为高效多晶组件和多晶组件。考虑性价比及设计目的，中小型太阳能光伏发电系统，特别是家庭式屋顶太阳能光伏发电系统，选用多晶组件作为光伏发电系统的光电转换器件。设计选用型号SYK240－30P外形尺寸为1 640 mm×992 mm×50 mm，单组最大功率为240 W的多晶硅太阳能发电板，市场价格大约是5～6元/W，基本参数如表1所示。

太阳能光伏电池的年发电量不但与辐射能量有关，而且与日照时数有关。但是，气象台站给出的实测日照时数是不同辐射强度下累加值，而光伏电池阵列输出功率——峰瓦是在AM1.5，光伏电池温度25℃，日照强度1 000 W/m2条件下的测试结果。因此，要把年实测日照时数换算成年峰值日照时数。

表1 设计选用的多晶硅太阳能电池板组件技术参数Tab.1 Design selection of poly solar panel components technical parameters

我国年太阳辐射总量及年日照数大致可以分为5大类，见表2。本实例依照第三类太阳辐射光照时间，即5 h/d计算。

由于系统需在连续没有太阳能补充能量的情况下正常供电，所以需要选取经济又合适的蓄电池。假设在没有太阳能补充能量的情况下要求系统正常工作5～7天，用电器满负荷工作时间4 h/d，设计选用规格为12 V型号为150 AH的铅酸免维护式蓄电池。

初步计算可得一个家庭屋顶式小型并网光伏发电系统的初投资如表3所示。

根据国家对屋顶式太阳能光伏发电系统补贴规定:离网光伏项目的补助标准是7～8元/W。2012年度的“金太阳示范工程”新的补助标准，财政部、科技部、国家能源局财建〔2012〕21号文件规定，并网项目如采用晶体硅组件可获得9元/W的补贴。补贴会在项目申报结束且发电系统验收成功后一次性发放。计算得补贴大约为50%的光伏系统成本。所以初步得初期投资由5.66万元大约可以缩减为3.6万元。系统综合效率:74%，系统年发电量4 492.8 kW·h，系统年运行维护费用:约占初投资的0.43%，即243.38元。如享受上网标杆电价1元/kW·h，按每度1元的价格卖给电网，则年收益4 315.64元。综合考虑可得大概用7年左右的时间收回成本，一般太阳能电池板的寿命是20～25年，而如果有第二期投资，第二期工程只需更换出问题的太阳能电池板即可。所以分析可得中小型屋顶式太阳能光伏发电还是有投资的可行性的;但项目的净利润不是很高，这和太阳能电池的成本和其光电转换效率有着密切的关系。