家用光伏發(fā)電系統(tǒng)在“光伏發(fā)電技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用研究

仇成群，莊國(guó)策，徐 璐，胡天云

（1.鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城224007；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城224002）

0 引言

“光伏發(fā)電技術(shù)”是電氣類相關(guān)專業(yè)的一門重要核心課程[1]。該課程由于知識(shí)點(diǎn)多、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出可以通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐調(diào)查來(lái)分析研究光伏發(fā)電技術(shù)原理、分類、并網(wǎng)和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益等，實(shí)踐表明能夠有效地提高該課程的實(shí)際教學(xué)效果，并可提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)品的出口份額一直占據(jù)較高比例，而國(guó)內(nèi)的總裝機(jī)量卻一直處于低迷狀態(tài)，光伏發(fā)電系統(tǒng)價(jià)格較高，每年光伏設(shè)備的銷售量增長(zhǎng)緩慢，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，中國(guó)光伏市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格也會(huì)逐步降低[2]。2011年以來(lái)，中國(guó)政府專門制定并實(shí)施了一系列綠色能源政策，為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策性指導(dǎo)[3]。文中以江蘇省鹽城市為例，針對(duì)江蘇沿海地區(qū)家用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用分析與研究。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及組成

光伏發(fā)電原理圖如圖1所示，白天光照條件下，主控CPU電路檢測(cè)太陽(yáng)能電池組輸出狀況，并依據(jù)系統(tǒng)發(fā)電功率的最大值，控制變換器DC/DC，此時(shí)充電控制電路給蓄電池組充電，DC/AC逆變器將高頻直流電轉(zhuǎn)變成交流電，再由切換電路為電器供電。在沒(méi)有太陽(yáng)光照時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不工作，此時(shí)主控CPU檢測(cè)到系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行發(fā)電工作，則由蓄電池組通過(guò)DC/AC直接給電器提供電源，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能不夠，則切換到電網(wǎng)供電線路。

圖1 光伏發(fā)電原理圖

家用光伏系統(tǒng)一般包括太陽(yáng)能電池板、逆變器、穩(wěn)壓器、電表等組成部件，其主要功能是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能給家用電器供電或者并入電網(wǎng)。光伏電池成本投入較大，約占總成本的50%～60%，安裝空間占家用空間的比例在80%以上，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電電池板在家庭中安裝受到空間位置、擺放角度的限制。居住在樓層中間的用戶，沒(méi)有獨(dú)立的屋頂或平臺(tái)安裝太陽(yáng)能電池組，只能將電池板安裝在外墻上，太陽(yáng)能電池板安裝過(guò)程中，合適的安裝角度是太陽(yáng)能源效利用的保證。根據(jù)實(shí)地測(cè)量，電池板每偏轉(zhuǎn)正南方向30°角時(shí)，發(fā)電量以10%～15%的幅度減少。

2 江蘇沿海地區(qū)地理位置及居民用電調(diào)查分析

鹽城位于北緯32度34分至34度28分，東經(jīng)119度27分至120度54分，鹽城地區(qū)日照量充足，每月的輻射量都比較平緩，適合安裝并使用家用光伏發(fā)電系統(tǒng)。2016年與2017年兩年鹽城地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量分別為5 253.4 MJ/m2和5 437.3 MJ/m2，全年平均輻射總量為5 345.35 MJ/m2，日輻射總量平均為14.64 MJ/m2，通過(guò)計(jì)算可以求鹽城地區(qū)的峰值日照時(shí)數(shù)日，鹽城地區(qū)氣象數(shù)據(jù)顯示日輻射總量為14.64 MJ/m2，得出鹽城地區(qū)的峰值日照時(shí)數(shù)為4.07 h.

全市的中小型企業(yè)較多，企業(yè)利潤(rùn)較之前有很大增長(zhǎng)，鹽城居民的收入位于全國(guó)前100強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力增長(zhǎng)為鹽城推廣家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。另外，鹽城地區(qū)土地面積居江蘇省第一位，人口密度較大，鹽城地區(qū)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有很大的發(fā)展空間。抽樣調(diào)查對(duì)象為隨機(jī)抽取的鹽城市普通居民普通住宅小區(qū)30戶居民，鹽城供電公司調(diào)查了30戶居民2016～2017年的12個(gè)月用電量、用電費(fèi)用及收入情況，并依據(jù)鹽城地區(qū)居民階梯電價(jià)要求計(jì)算該30戶居民的每月平均電費(fèi)，調(diào)查以鹽城為例，調(diào)查詳實(shí)，樣本具有很高的代表性，能代表江蘇沿海地區(qū)主要普通居民用電狀況。

3 家用光伏系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益研究

家用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用對(duì)我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)生活的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以適合居民的3 kW家用光伏發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算出居民安裝3 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的成本和預(yù)計(jì)收益并比較分析。

3.1 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量及成本計(jì)算

以3 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為測(cè)試樣本系統(tǒng)，文中選用的晶硅太陽(yáng)能電池板規(guī)格為200 W，采用深圳市天龍王能源科技有限公司的太陽(yáng)能組件，其轉(zhuǎn)換率約為15%.光伏發(fā)電系統(tǒng)共需要20塊電池板，單個(gè)電池板的規(guī)格為1 580 mm×808 mm×30 mm，20塊電池板的總面積為25.53 m2.通過(guò)查閱江蘇沿海地區(qū)氣象資料，江蘇地區(qū)近年來(lái)的太陽(yáng)年輻射量為5 016 ～ 5 852 MJ/m2，文中取 5400 MJ/m2，普通居民使用光伏發(fā)電系統(tǒng)理論年發(fā)電量約為5 744 kW·h.濕度、天氣氣候、空氣質(zhì)量等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，太陽(yáng)能電池實(shí)際輸出功率達(dá)不到最佳功率，考慮角度、溫度對(duì)電池的影響等因素，折算后的實(shí)際效率約為0.85，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)組成組件在發(fā)電時(shí)都會(huì)有一定的電損耗，系數(shù)按0.96計(jì)算，再綜合各種因素影響，得出系統(tǒng)總效率為61%.計(jì)算得出光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電量約為3 561 kW·h.

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本包括：設(shè)備采購(gòu)費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)、人工安裝費(fèi)。設(shè)備采購(gòu)費(fèi)包括：太陽(yáng)能電池組件、蓄電池、逆變器、控制器、電纜、電表等。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，器材成本約為23 996.0元。設(shè)計(jì)與施工費(fèi)用：由于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的推廣得到企業(yè)和政策的支持，所以費(fèi)用有所減少，共需約2 000.0元。家用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總造價(jià)約為26 000.0元。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

以江蘇省鹽城市為例，調(diào)查城鄉(xiāng)居民家庭用電狀況，數(shù)據(jù)顯示每月平均用電84.25 kW·h，年用電量1 011 kW·h，光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量為3 561 kW·h，用戶除了自用電量之外，將2 550 kW·h入網(wǎng)獲得收益。根據(jù)居民住房的特點(diǎn)，家庭用電電力負(fù)荷隨著時(shí)間呈現(xiàn)峰谷起伏趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)我國(guó)對(duì)于光伏行業(yè)的補(bǔ)貼政策，供電企業(yè)對(duì)用戶的光伏發(fā)電量補(bǔ)助分為發(fā)電補(bǔ)貼和上網(wǎng)電費(fèi)兩種。用戶安裝使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可獲得2 674.68元。系統(tǒng)總投資26 000.0元，該項(xiàng)目的總投資成本為26 000元，年凈收益為2 674.68元，得到投資回收期為9.72年，即該項(xiàng)目投資回收周期為10年，從第11年起開始盈利。設(shè)備使用壽命一般為20年，每年可以獲利2 674.68元（以目前情況估算），20年內(nèi)可以獲利27 493.6元，投資回報(bào)率102.87%，可獲得較高收益。家用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為用戶帶來(lái)切實(shí)經(jīng)濟(jì)收益，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

4 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)未普及的調(diào)查分析

4.1 調(diào)查問(wèn)卷

文中以調(diào)查問(wèn)卷的形式對(duì)江蘇沿海地區(qū)不同人員（包括政府人員、城市居民、從商人員、農(nóng)村居民等）來(lái)分析其中原因。隨機(jī)發(fā)放問(wèn)卷于鹽城建湖蘆溝鎮(zhèn)、阜寧縣北沙鎮(zhèn)、響水縣小尖鎮(zhèn)以及東臺(tái)、大豐、亭湖、鹽都等地區(qū)，共發(fā)放問(wèn)卷1000份，回收問(wèn)卷923，其中有效問(wèn)卷867份，有效回收率86.7%.

4.2 調(diào)查分析

從調(diào)查數(shù)據(jù)分析，近23.1%的人完全不了解光伏發(fā)電，僅10.5%的人對(duì)此有一定了解，而對(duì)光伏發(fā)電非常了解的人不足1%，有54.6%人比較看好家用光伏系統(tǒng)，同時(shí)87.9%的人認(rèn)為1萬(wàn)元以下才會(huì)投資。一個(gè)家用光伏系統(tǒng)的成本大概在2.6萬(wàn)元，成本回收期10年，超出了普通人期望。從調(diào)查結(jié)果看，36.7%的人（城市居民）認(rèn)為屋頂資源存在產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，23.4%的人（企業(yè)人士）認(rèn)為商業(yè)模式存在著問(wèn)題，92.6%的人覺(jué)得投資家用光伏發(fā)電不劃算，19.2%的人表示城市與電網(wǎng)規(guī)劃有問(wèn)題。另外，還有45.7%的人認(rèn)為政府宣傳不到位。對(duì)于用戶，最重要考慮因素便是財(cái)政補(bǔ)貼，初始造價(jià)高是影響家用光伏系統(tǒng)發(fā)展的重要原因。通過(guò)綜合分析，促進(jìn)江蘇沿海地區(qū)家用光伏發(fā)電的舉措可為：（1）屋頂資源利用，促進(jìn)城鄉(xiāng)屋頂資源合理分配利用；（2）技術(shù)革新，降低成本，提高發(fā)電效率；（3）宣傳推廣，促使政策透明化，手續(xù)精簡(jiǎn)化；（4）加大補(bǔ)貼，包括購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼、發(fā)電補(bǔ)貼、上網(wǎng)補(bǔ)貼；（5）創(chuàng)新投資模式，企業(yè)、用戶、社會(huì)多方受益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)“光伏發(fā)電技術(shù)”這門課程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出通過(guò)實(shí)踐調(diào)查研究光伏發(fā)電技術(shù)家用應(yīng)用狀況，根據(jù)對(duì)江蘇沿海地區(qū)的自然條件分析，綜合普通家庭用電及收入狀況，考慮光伏發(fā)電設(shè)備的安裝成本以及發(fā)電的預(yù)期收益，以鹽城為例，分析了江蘇沿海地區(qū)家用光伏系統(tǒng)存在的問(wèn)題并且提出合理建議。加大補(bǔ)貼的同時(shí)，從資源利用、宣傳推廣、投資模式、技術(shù)革新多方面促進(jìn)家用光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展。通過(guò)調(diào)查應(yīng)用實(shí)踐表明，學(xué)生可以更好地理解和掌握光伏發(fā)電技術(shù)原理、分類、并網(wǎng)和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益等，能夠有效地提高該課程的實(shí)際教學(xué)效果并提高了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。