初探家庭太陽能光伏發(fā)電

伍 云 帆

(重慶市第一中學(xué)，重慶 400030)

0 引言

隨著石油及煤炭的大量開發(fā)，能源危機(jī)日益加重，對(duì)環(huán)境造成的危害也越發(fā)不容小視，因而對(duì)新能源的開發(fā)已迫在眉睫，盡可能用清潔能源取代傳統(tǒng)的礦物能源，是新能源發(fā)展應(yīng)該遵循的原則。而太陽能作為一種可再生資源，清潔無污染，取之不盡，用之不竭，符合我國(guó)的環(huán)保、節(jié)能政策，正被國(guó)家大力提倡。

1 家庭太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展前景

通常所說的家庭太陽能光伏發(fā)電往往特指分布式光伏發(fā)電，即在用戶場(chǎng)地附近建設(shè)，運(yùn)行方式以用戶側(cè)自發(fā)自用、多余電量上網(wǎng)，且在配電系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)為特征的光伏發(fā)電設(shè)施。目前我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是建設(shè)在樓宇屋面的微型光伏電站，以家庭用戶為單位的光伏發(fā)電形式。

我國(guó)政府已將光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，并納入了國(guó)家能源發(fā)展的基本政策中，已先后確立了一系列相關(guān)制度和措施，支持光伏用戶發(fā)電并網(wǎng)，優(yōu)惠電價(jià)，發(fā)放補(bǔ)貼，并在光伏建設(shè)貸款等方面給予光伏產(chǎn)業(yè)種種優(yōu)惠，鼓勵(lì)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2017年國(guó)家出臺(tái)的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》更是對(duì)分布式光伏設(shè)定了超常規(guī)發(fā)展目標(biāo)，提出2020年分布式發(fā)電要達(dá)到70 GW，而到目前為止，分布式累計(jì)安裝量還不到10 GW。種種跡象顯示，分布式光伏尤其是家庭分布式光伏無疑是巨大的市場(chǎng)，即將迎來快速發(fā)展期。

2 家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及分類

2.1 家庭光伏發(fā)電基本原理

光伏發(fā)電是通過太陽電池板利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，即太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴—電子對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后形成電流，見圖1。

2.2 家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

根據(jù)是否與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為家庭獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.2.1獨(dú)立離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)即離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，與公共電網(wǎng)無直接聯(lián)系，主要由太陽能電池組件、蓄電池、控制器構(gòu)成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這類系統(tǒng)適用于太陽能資源豐富、無傳統(tǒng)電網(wǎng)或經(jīng)常停電的地區(qū)，也適用于城市中鋪設(shè)線路困難且成本較高的場(chǎng)所，見圖2。

2.2.2家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過逆變器將光伏電池板發(fā)的直流電變換為交流，經(jīng)過相位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來使用。主要由光伏電池板、逆變器、交流保護(hù)開關(guān)箱和電表組成。主要特點(diǎn)是用戶可將所發(fā)電直接輸送至電網(wǎng)，一般情況下無需蓄電池及控制器，降低了設(shè)備成本。相比獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)適用于已普及傳統(tǒng)電網(wǎng)的地區(qū)，現(xiàn)國(guó)家大力倡導(dǎo)的分布式光伏發(fā)電便屬于并網(wǎng)系統(tǒng)，見圖3。

3 家庭光伏發(fā)電的主要部件

3.1 太陽能電池板組件

太陽能電池板是由多個(gè)太陽能電池按一定方式組裝在一塊板上的組裝件，通常作為光伏方陣的一個(gè)單元。組件作為室外安裝發(fā)電設(shè)備，是光伏系統(tǒng)的核心部分，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽能電池板組件使用價(jià)值的重要因素。傳統(tǒng)的太陽能電池板可分為單晶硅、多晶硅兩大類，由于多晶硅片生產(chǎn)能耗低，生產(chǎn)過程無污染，且與單晶硅片相比價(jià)格相對(duì)低廉，投資更為經(jīng)濟(jì)，因而在家庭光伏發(fā)電中被廣泛使用。

3.2 蓄電池

蓄電池為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的必需設(shè)備，作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。由于在家庭使用過程中蓄電池經(jīng)常處于頻繁的充、放電狀態(tài)，因此要求蓄電池具有良好的深循環(huán)能力，且能適應(yīng)不同的環(huán)境，如高溫、低溫、高海拔等，在使用中應(yīng)將蓄電池置于陰冷通風(fēng)處，并盡量避免太陽直曬。目前國(guó)內(nèi)被廣泛使用的主要是鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體蓄電池兩類。

3.3 控制器

控制器也為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的必需設(shè)備，由專用處理器、電子元器件、顯示器等組成，作用是控制蓄電池的準(zhǔn)確充、放電以及對(duì)負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)，并具有簡(jiǎn)單的指示功能、協(xié)議通訊功能。如不需要將白天發(fā)的電儲(chǔ)存至晚上使用，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則不需要設(shè)置蓄電池及控制器。

3.4 逆變器

由于光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的電流為直流電，而日常生活中的設(shè)備大部分采用的是220 V,50 Hz的交流電，逆變器的工作就是將直流電轉(zhuǎn)化為家用的交流電。逆變器種類繁多，因此在選擇機(jī)種和容量時(shí)需特別注意，轉(zhuǎn)換的電壓應(yīng)與蓄電池或電網(wǎng)匹配。除此之外，還應(yīng)具備一定的帶載能力、保護(hù)能力以及絕緣能力。

4 重慶家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)可行性及經(jīng)濟(jì)分析

本文以重慶為例，對(duì)目前國(guó)家大力提倡的家庭分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行粗略的可行性及經(jīng)濟(jì)分析。

4.1 重慶太陽能資源

重慶屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季劃分明顯。年日照時(shí)數(shù)1 000 h～1 400 h，日照百分率為25%～35%，冬、春季日照少。根據(jù)國(guó)家太陽能光熱標(biāo)準(zhǔn)圖集(建質(zhì)【2006】281號(hào))明確，重慶地區(qū)10年期平均日照強(qiáng)度為3 636 MJ/m2。按照QXT 98—2008太陽能資源評(píng)估辦法，以太陽能總輻射的年總量為指標(biāo)，進(jìn)行太陽能資源豐富等級(jí)評(píng)價(jià)，重慶屬于太陽能資源一般地區(qū)，年日照總量為1 600 h，可以建設(shè)屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

4.2 重慶光伏資源政策

根據(jù)重慶市發(fā)展與改革委員會(huì)、重慶市能源局自2016年至今給予公開回復(fù)及頒布政策，重慶市支持太陽能發(fā)電分布式光伏項(xiàng)目。其次，重慶地區(qū)現(xiàn)有執(zhí)行的補(bǔ)助政策，是根據(jù)國(guó)家發(fā)改委2018年度批準(zhǔn)實(shí)施的分布式光伏發(fā)電補(bǔ)貼政策執(zhí)行，政策采用全電量補(bǔ)貼，即以光伏發(fā)出實(shí)際電量為準(zhǔn)，每度電補(bǔ)助0.37元/度。

4.3 家庭用電需求及發(fā)電量

根據(jù)常規(guī)用電指標(biāo)，住宅以50 W/m2計(jì)算電力負(fù)荷，以建筑面積140 m2的住宅為例，家庭用電需求約為7 kW。

按重慶標(biāo)準(zhǔn)日照時(shí)間每年1 600 h，系統(tǒng)綜合效率80%(一般取值為75%～85%)計(jì)算，安裝容量7 kW的家庭年發(fā)電量約為8 960度，日發(fā)電量約為24度。

4.4 投資收益估算

4.4.1投資成本估算

從全國(guó)范圍來看，目前太陽能光伏發(fā)電的成本為6元/W～8元/W。本文取上限值，按照8元/W計(jì)算，裝機(jī)容量7 kW的家庭太陽能光伏發(fā)電的投資成本為5.6萬元，該費(fèi)用包含了設(shè)計(jì)、設(shè)備、施工及并網(wǎng)等。

4.4.2收益估算

按照自發(fā)自用，余電上網(wǎng)的并網(wǎng)模式，家庭光伏發(fā)電的收益主要包含以下兩部分：

1)政府補(bǔ)貼收入。按照現(xiàn)行的每度電補(bǔ)助0.37元/度的國(guó)家政策，年補(bǔ)貼收入為0.37×8 960=3 315.2元。

2)節(jié)省的電費(fèi)。家庭用電自發(fā)自用，無需再從電力公司購買，按全額用完考慮，避免電費(fèi)支出0.52×8 960=4 659.2元。(未考慮階梯電價(jià)，電價(jià)按0.52元/度計(jì)算)。

綜上，年度總收益為3 315.2+4 659.2=7 974.4元。

4.4.3結(jié)論

按照上述粗略計(jì)算，重慶地區(qū)裝機(jī)容量7 kW的家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資成本為5.6萬元，年收益為7 974.4萬元，約7年收回成本。光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用年限一般為25年，收回成本后可免費(fèi)用電并獲得收益，因此家庭光伏發(fā)電在重慶是可行的。

5 家庭太陽能光伏發(fā)電存在的問題

近幾年，在國(guó)家政策的指引下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，但同時(shí)還存在眾多制約行業(yè)持續(xù)發(fā)展的突出問題。

5.1 所處地域太陽能資源的限制

我國(guó)大部分地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h，年平均輻射量在5 000 MJ/m2以上，太陽能資源豐富，此類地區(qū)尤其適合發(fā)展家庭光伏產(chǎn)業(yè)。但仍存在部分地區(qū)由于太陽輻射資源的原因，家庭光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。對(duì)于太陽資源條件較差的區(qū)域，建設(shè)家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用價(jià)值較低，因此限制了光伏發(fā)電技術(shù)在全國(guó)范圍內(nèi)的普及。

5.2 受物理空間的限制

首先，建設(shè)家庭光伏電站對(duì)建筑形式和所占空間面積有一定要求，電站每千瓦需要10 m2左右的光伏板，本文中的案例裝機(jī)量7 kW需要約70 m2，且對(duì)安裝角度有一定限制，較為適合在屋頂安裝，而我國(guó)屋頂屬業(yè)主共有，這點(diǎn)與國(guó)外有很大不同，國(guó)外大部分房屋是小別墅，屋頂產(chǎn)權(quán)清晰，安裝方便，而我國(guó)城市居民樓多為高樓，屋頂資源與電力用戶資源嚴(yán)重不匹配，難以實(shí)現(xiàn)家家戶戶安裝光伏電站。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益依賴補(bǔ)貼，收益結(jié)算滯后

光伏發(fā)電項(xiàng)目按照國(guó)家有關(guān)政策給予發(fā)電業(yè)主補(bǔ)貼，除國(guó)家補(bǔ)貼外，部分地方政府也有相應(yīng)的補(bǔ)貼支持，而部分地區(qū)無地方性補(bǔ)貼，居民受益難以確保，導(dǎo)致光伏推廣速度緩慢。更有部分地區(qū)存在補(bǔ)貼發(fā)放不及時(shí)，發(fā)放周期較長(zhǎng)的情況，造成用戶資金壓力。此外，國(guó)家逐年下調(diào)光伏發(fā)電補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，一些地方性補(bǔ)貼也逐漸消失取消，補(bǔ)貼下降速度遠(yuǎn)超預(yù)期，用戶收益下降，支持光伏產(chǎn)業(yè)的熱情減退。

5.4 光伏行業(yè)準(zhǔn)入機(jī)制欠完善，質(zhì)量難以保證

我國(guó)光伏市場(chǎng)起步不久，有光伏行業(yè)品牌企業(yè)進(jìn)入，也有許多專業(yè)實(shí)力弱的企業(yè)進(jìn)入，出現(xiàn)了信用資質(zhì)、產(chǎn)品品質(zhì)、售后服務(wù)等方面參差不齊，部分經(jīng)銷商、代理商、集成安裝商以次充好，安裝操作不規(guī)范，利用民居對(duì)光伏產(chǎn)品安裝和售后服務(wù)缺乏了解，用低價(jià)吸引居民的情況，質(zhì)量難以保證，造成一定安全隱患，且系統(tǒng)效率大大降低。

6 結(jié)語

雖然家庭光伏發(fā)電的發(fā)展過程中仍有不少問題需待解決，諸多方面有待完善，但任何新生事物的發(fā)展道路都不會(huì)是一帆風(fēng)順，推廣家庭光伏發(fā)電業(yè)一定也會(huì)是一條艱辛曲折的道路。從全國(guó)范圍內(nèi)光伏裝機(jī)容量逐年攀升的數(shù)據(jù)來看，家庭光伏發(fā)電應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛這是毋容置疑的。目前我們已經(jīng)從不知到認(rèn)知，并從發(fā)展應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了問題進(jìn)而研發(fā)解決問題，相信家庭光伏發(fā)電未來的市場(chǎng)仍然很廣闊，光伏產(chǎn)品會(huì)越來越多地嵌入屋面瓦，玻璃幕墻、門窗等功能性傳統(tǒng)建筑材料里，光伏產(chǎn)業(yè)之路會(huì)越走越寬。