云南农村家用太阳能光伏发电系统的设计与探讨

付宏才，董　晓，陈　婷，张雪萍，郑永春（云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明　650201）

云南农村家用太阳能光伏发电系统的设计与探讨

付宏才，董晓，陈婷，张雪萍，郑永春
（云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明650201）

考虑云南大部分地区常年太阳光照时间较长，利用光伏发电清洁、安全、可靠的优点，设计一种适用于云南农村家庭使用的小型太阳能光伏发电系统，以助于解决云南偏远农村用电难、尤其是大功率用电难的问题。结合云南气象参数和大多数家庭用电状况，以 “方便销售和安装、价格低廉”为宗旨，设计集成、经济的方案，并选定主要设备的技术参数，为太阳能设备生产厂家和家庭用户提供参考。

光伏发电；集成系统；农村家庭；云南

0　引言

在我国能源与环境双重压力下，太阳能作为一种清洁、高效和永不枯竭的新能源，已成为很多国家可持续能源战略的重要组成部分。

云南位于我国西南部，地形以高原和山地为主。农村人口约占61%，村民居住较为分散。部分农村人口居住在偏远山区，地形复杂。农村用户用电负荷小且分散，电网架设与维护困难，且成本较高。但从另一角度看，云南地区因纬度低、透明度好、大气层稀薄，光照时间长，日照时间年均值超过2200h，相对日照接近60%，太阳能资源丰富，使用自发自用的小型太阳能发电系统有天然优势。

1　家用小型集成太阳能光伏发电系统结构原理

1.1太阳能光伏发电系统结构

太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体材料的“光伏”效应，将太阳光的辐射直接转化为电能的新型发电系统。太阳能发电的使用通常有两种方式，一种是并网发电方式，另一种是依靠蓄电池来进行能量存储的离网发电方式，主要用于因架设线路困难而无法到达的场合，比较适合云南偏远地区［1］。独立太阳能发电的小用户供电系统由太阳能电池板、控制器、铅酸蓄电池（组）和逆变器组成，其基本结构如图1所示。

图1　家庭太阳能发电系统结构示意图Fig.1 Diagram of domestic solar power system

1.2家用太阳能光伏发电系统电路原理

太阳能光伏发电的原理［1］，白天，在光照条件下，太阳能电池将太阳能转换成电能，通过充放电控制器给负载供电；同时，通过充放电控制器对蓄电池充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，通过逆变器的作用，将蓄电池中的直流电转换成交流电，给交流负载供电。

通过技术改进，本集成系统把充放电控制器和逆变器做成控制逆变一体机，该装置集控制、稳压、逆变于一体，接线方便，操作简单。根据以上原理，技术改进得到家用太阳能供电系统集成电路原理，如图2所示。

图2　家用太阳能供电系统集成电路原理图Fig.2 Circuit diagram of domestic solar power system

2　家用小型太阳能光伏发电系统的设计与选型

据统计，1kW光伏发电系统，可用于家庭照明、电视、电脑的使用；3kW光伏发电系统可满足一家3口人的生活用电需求，特别是厨房用电；5kW光伏发电系统可以满足一家5口人的需求。表1中的电器类型（负载类型）是对云南农村普通家庭用电负荷情况大量调查统计后得到的；功率大小则是按照经济性原则尽量选择目前市场上最为节电的电器功率。调查情况还反映出：农村家庭高峰用电时的功率并不比城市居民小多少，但在大多数时间里大功率电器（如表1中电磁炉、饮水机）是不用的，即高峰用电次数并不多。这和农村家庭大量烧柴的现实分不开，因此农村家庭日均、月均用电量却比城市居民小很多。考虑到农村家庭自用电一般都不是满负荷，因此云南农村家庭用电负载基本上在3kW以内；设计一个3kW的太阳能发电系统，具有代表性，可满足大多数农村家庭的用电需求，且最大好处是可减少农村家庭对木柴的依赖、有利于家庭清洁卫生和生活方便，对地方生态环境的保护又十分有利；同时还有望减轻对农村电网的管理成本。

2.1蓄电池设计与选型

（1）蓄电池设计。蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池方阵发出的电能储存起来，并随时向负载供电。光伏方阵在白天有光照时发出的电优先通过控制器、逆变器供给用电设备，剩余的电量储存到蓄电池中，可以晚上或者阴天时通过逆变器备用。民用光伏系统广泛使用铅酸蓄电池，是因为铅酸蓄电池价格低廉，易于维护，使用寿命较长。综合考虑，本系统选用铅酸蓄电池。蓄电池容量的计算要考虑逆变器效率、最长连续无日照天数及负载容量等诸多因素，所需并联蓄电池的数量［2］：

表1　云南农村家庭主要用电负载表Tab.1 Main Power loads of a rural family in YUNNAN

式中：C0—并联蓄电池数量；D—最长连续无日照天数，取3天；Pl—AC日均负载功率（kW），取3kW；Kb1—蓄电池的放电深度系数，取0.5；Kb2—逆变器的转换率系数，取0.9；P0—所选取某型号蓄电池的额定功率，取200Ah；V—系统直流电压（V），取24V。由此，解得C0= 4，且能够与24V直流系统电压相匹配。

（2）蓄电池选型。综合考虑，本设计选用某公司4块铅酸蓄电池，规格参数见表2。

表2　某型号蓄电池性能参数Tab.2 Performance parameters of a type of battery

2.2太阳能电池方阵设计与选型

（1）太阳能电池方阵设计。多个太阳能电池组成太阳能电池阵列，实现光能到电能的转化。目前，太阳能电池主要分为晶体硅和非晶体硅两种，而晶体硅又分为单晶体硅和多晶体硅。据市场调研，市面上大多数都是晶体硅电池。单晶硅电池的光电转换效率约在17%～22%左右，最高可达24.7%，且适用寿命在15年左右；而多晶体硅电池的转换率约在16%～19%左右［3］。综合考虑，本系统的太阳能电池组件选用单晶体硅太阳能电池。光伏电池组件数量［2］：

式中：Np—光伏电池组件并联数，取整数；Pl—设备负载功率（W）；V—系统直流电压（V）；Hp—峰值日照小时数（h），取6h；Imp—光伏电池组件的峰值电流（A），见表3；Kp1—蓄电池的充电效率，取0.8；Kb2—逆变器的转换效率，取0.9。由此，得到Np=6，且能够与24V直流系统电压相匹配。

（2）太阳能电池方阵选型。综合考虑，本设计选用某公司6块单晶硅电池板组成的光伏方阵，规格参数见表3。

表3　某型号单晶硅电池组件性能参数Tab.3 Performance parameters ofa type ofsingle crystalsilicon cellmodule

2.3控制器和逆变器的设计与选型

（1）控制器的设计。控制器的作用是控制整个发电系统的工作状态，对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池存储［4］，且能自动预防蓄电池过充电和过放电。蓄电池的循环充放电次数及放电深度决定了蓄电池使用寿命，所以，作为控制蓄电池组过充或过放的充放电控制器是非常关键的设备。控制器的方阵控制电流和充电电流应能满足方阵短路电流的要求。方阵短路电流：

式中：I—方阵短路电流；I0—电池板短路电流，见表3；Np—需并联的光伏电池板数量；k—安全系数，取1.25。由此，解得I=43.5A。选取24V/45A的控制器，可与24V直流系统电压相匹配。

（2）逆变器的设计。逆变器是一种把太阳能发出的直流电转换为交流电的装置，转换的交流电供负载使用［1］。由于太阳能发电系统直接发出的电能一般是12V DC、24V DC、48V DC，为了给一些220V AC的负载提供电能，需要将系统发出的直流电转换成交流电。根据负载功率要求，选择1500W的逆变器可满足需求。

（3）工频逆控一体机的选型。工频机具有性能稳定、使用寿命长、故障率低、易维护等优点。工频逆控一体机集控制器和逆变器于一体，拥有卓越的逆变器功能，性能稳定，自身损耗小，价格低，可24小时工作，是家用小型发电系统的不二选择。本设计选用某公司的工频逆控一体机，其规格参数如表4所示。

表4　某型号工频逆控一体机性能参数Tab.4 Performance parameters of a type of power frequency-inverter-controller all-in-one

3　成本与经济性分析

本设计中太阳能光伏发电系统的主要成本来自：蓄电池、太阳能电池组、工频逆控一体机、支架、电线、人工费等，参见表5。

以云南地区为例，查阅相关数据可知，该太阳能发电系统一年发出的电量约为3600kWh，如果按家庭用电单价0.6元/度计算，一年可节约电费3600×0.6=2160元（不过这个开支节约的前提是，农村家庭要尽量放弃使用木柴，改用太阳能供电来解决厨房用电问题）。理论回收期17800÷2160=8.2年，约为8年。

从目前来看，太阳能发电系统的经济性不是很好，主要体现在相关设备的价格较高，分摊的发电成本偏高，这离云南普通农村家庭的心理价位还相差甚远。然而，考虑到太阳能光伏发电的清洁、安全、使用方便等“附加值”，就不宜单纯与传统的发电模式进行单纯的成本比较，在取代农村烧柴做饭等用电大头问题上，优势就更加明显，尤其是森林砍伐日益严重，我们不得不呼吁政府对这种新能源在农村的推广应用给予一定的政策与资金扶持。同时，光伏技术在现代农业、养殖业中的发展，如在光伏灌溉、光伏农业大棚等方面使用非常广泛［5］，这有利于在农村、农业领域推广和综合利用太阳能发电技术创造良好的氛围。

4　结束语

光伏发电作为清洁、安全、实用的供电方式，可以帮助解决云南无电、电网脆弱、大功率用电难等农村地区的用电问题。本文结合云南气象参数，突出方案的集成性和经济性，选定部分设备的技术参数，设计农村家用3kW太阳能发电系统，并进行了成本与经济性分析，力求系统功能可靠、价格低廉，方便销售和安装，为太阳能生产厂家和家庭用户提供参考。总体上看，该系统的价格目前离普通农村家庭的心理价位和经济接受能力还有一段距离。因此，出于长远考虑，为了推广这种新型系统，建议：

（1）政府给予一定的政策扶持，有利于双向降价：既可以让农村家庭减少支付，也可以降低规模生产的成本。

（2）由于目前太阳能供电成本相对较高，如果在云南农村地区把推广沼气使用和推广太阳能结合起来进行，可以很好地解决农村大功率用电、耗能问题，特别是厨房耗能问题。经验告诉我们，两者配合使用完全可以解决农村家庭的能源消耗问题，营造出农村家庭清洁、方便的生活环境。

（3）由于太阳能发电系统相关技术进步速度惊人，特别是蓄电池技术和光伏技术的进步，相信不久的将来，太阳能光伏系统的技术成本会有大幅度降低，太阳发电系统走入普通农村家庭的时代即将来临。

［1］沈文忠.太阳能光伏技术与应用［M］.上海交通大学出版社，2013.

［2］美国国际太阳能协会，译者：李雅琪.太阳能光伏发电设计与安装指南［修订版］［M］.湖南科学技术出版社，2013.

［3］杨金焕.太阳能光伏发电应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［4］王东.太阳能光伏发电技术与系统集成［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［5］Chien-Ming Cheng，Shiao-Li Tsao，Pei-Yun Lin.A Solar-Based Energy-Efficient Distributed Server Farm ［J］.Ieee transactions on systems，man，and cybernetics：systems，VOL.45，NO.1，2015.

Small Household Solar Photovoltaic Integrated System Design

FU Hong-Cai，DONG Xiao，CHEN Ting，ZHANG Xue-Ping，ZHENG Ying-Chun
（Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）

Considering a longer sunlight all year round in most parts of Yunnan，utilizing the clean，safe and reliable advantages of photovoltaic energy，this article designs a small solar photovoltaic integrated system for Yunnan rural households in order to solve the problem of shortage of electric（especially high-powered）supply in remote rural areas of Yunnan.Combined with the meteorological parameters and power consumption situation of most families in Yunnan，aiming at"convenient sales，convenient installation，and low price"，this essay designs integral and economical solutions，and selects the technical parameters of main equipments in order to provide the reference for solar equipment manufacturers and home users.

photovoltaic power generation；integrated system；rural households；yunnan

TM61

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.005

1002-6673（2015）05-011-04

2015-06-07

付宏才（1966-），男，湖北随州人，博士，副教授。主要研究方向：农业系统工程。出版译著一部、合著一部，发表论文四十余篇；董晓（1990-），女，山东邹平人，硕士研究生。主要研究方向：农业电气化与自动化。