太陽能光電在蘇州住宅小區(qū)的應(yīng)用調(diào)研與推廣

姚樹春+劉雅婧

摘 要 能源是當(dāng)前熱門的話題，而太陽能光伏發(fā)電又是一個新興的事物，太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能的光生伏打效應(yīng)原理，日照時，把太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過蓄電池儲能，直接或逆變成交流電供給負載設(shè)備。該系統(tǒng)的應(yīng)用能達到節(jié)能、環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞 太陽能；光伏發(fā)電；環(huán)保；偏遠用電

中圖分類號：TU18 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0121-02

目前，全球能源危機、環(huán)境污染致使新能源的應(yīng)用成為熱點的話題，而太陽能憑借其清潔、可再生、分布廣等優(yōu)勢獲得了普遍關(guān)注。而光伏發(fā)電，就是利用太陽光能轉(zhuǎn)換成電能，供人類使用，發(fā)電時無污染，深受社會的喜歡，但光伏發(fā)電的實際應(yīng)用缺少之又少。

1 項目背景

發(fā)展可再生能源如今已成為全世界共同關(guān)注的課題，而其中發(fā)展最好的三大可再生能源中太陽能最被業(yè)內(nèi)人士看好，其潛力也最大。特別是近幾十年來太陽能開發(fā)中提出的光伏發(fā)電研究成果，因其具有極好的商業(yè)化和市場開拓潛力，使得太陽能研究領(lǐng)域迅速發(fā)展成為全球快速穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。本項目重點研究的就是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)如何更好地將其提提倡的綠色電力在蘇州住宅小區(qū)中推廣，以期從點到面來研究該行業(yè)的推廣應(yīng)用，使其能在真正意義上成為全球各國解決能源與經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護之間矛盾的最佳途徑之一。

1.1 立項原因

太陽輻射能源是一種極其豐富、無污染、廉價的能源，其取之不盡用之不竭的特性，使無數(shù)研究者趨之若鶩。本項目組就目前太陽能發(fā)電的研究成果，中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口限制和供求關(guān)系等因素，申請了該項目，學(xué)習(xí)研究實施太陽能光伏發(fā)電。

1）太陽能發(fā)電的趨勢。根據(jù)國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》（可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，2007.9，中華人民共和國-國家發(fā)展和改革委員會），要大力推廣應(yīng)用小功率光伏系統(tǒng)，建立分散型和集中型兆瓦級聯(lián)網(wǎng)光伏示范性電站。我國國內(nèi)光伏市場十分巨大。

2）中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口限制和供求關(guān)系。目前，我國的光伏行業(yè)出口受到很大的限制，也就是一般意義上的“雙反”。由于以往的光伏產(chǎn)業(yè)主要都是歐美國家在生產(chǎn)，為了鼓勵我國企業(yè)自行從事太陽能的研發(fā)生產(chǎn)，我國制定了一系列鼓勵政策。因為國外的光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了大規(guī)模的發(fā)展，起步較晚的中國光伏制造企業(yè)為了生存發(fā)展只能選擇走低價路線，一番價格競爭以后歐美的光伏企業(yè)紛紛開始使用地方保護政策和法律武器保護自己，即雙反。鑒于此，中國太陽能發(fā)電設(shè)備的出口受限，主要供求都局限在國內(nèi)市場。

1.2 住宅小區(qū)采用光伏發(fā)電的需求分析

1）環(huán)保需要。目前太陽能基本上是無污染的能源，光伏發(fā)電，不會產(chǎn)生“目視污染”外的其他污染。

2）用電需要。現(xiàn)在住宅小區(qū)，用電的地方很多，如：居民家中、公共樓道、路燈、小區(qū)門衛(wèi)室、綠化燈光美化照明等。

3）科技發(fā)展的需要。光伏是個新興的技術(shù)行業(yè)，能為人類的生活帶來很大的方便。

1.3 太陽能發(fā)電的優(yōu)勢

1）量大價廉。太陽能資源取之不盡、用之不竭，且免費。

2）無需配送。可原地發(fā)電、原地使用，節(jié)約輸配電網(wǎng)的投資，并減少了輸配電損耗。

3）改善環(huán)境。安裝在屋頂和墻面上的光伏陣列能在吸收太陽能的同時避免了屋頂和墻面的陽光直射，尤其在夏日，可明顯改善室內(nèi)溫度環(huán)境。

4）保護空氣。現(xiàn)在全球大部分地區(qū)都是采用化石燃料發(fā)電，這會對空氣造成嚴(yán)重污染，如果選用了太陽能光伏發(fā)電，則能有效的保護空氣，防止霧霾現(xiàn)象的進一步惡化。

5）占地面積小。太陽能光伏發(fā)電無需額外占地建設(shè)，只需安裝在屋頂即可，節(jié)省了土地資源，這對于人口密集、土地昂貴的城市建筑尤為重要。

1.4 光伏發(fā)電的挑戰(zhàn)

1）穩(wěn)定性差。氣候和晝夜的變化對太陽能的獲取量影響很大。為了使其達到一定的穩(wěn)定度就必須有貯存裝置，這一措施不僅增加了技術(shù)難度，也提高了造價。鑒于目前的貯存系統(tǒng)都不夠理想，要具體應(yīng)用也較為困難。

2）裝置成本過高。雖然地面接收到的太陽能量非常大，但其分散度太大，密度太低，因此，作為能源使用就必須安裝面積相當(dāng)大的收集設(shè)備才能達到預(yù)期效果。但是大面積必將造成價位高，從而提高這一量大價廉的能源價格。

3）太陽能光伏面板損壞。太陽能光伏面板有一定的壽命，目前還不是很明確；冰雹天氣對太陽能光伏面板有一定的破壞作用；天氣灰塵較多，時間長后，會覆蓋在太陽能面板上，影響太陽能的接收。

2 太陽能發(fā)電原理的學(xué)習(xí)與研究

2.1 太陽能發(fā)電的原理

太陽能電池組件能在太陽照射下將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，一方面通過控制器將直接送入用電設(shè)備完成諸如照明、電路控制等多種功能，如有需要還可通過AC/DC逆變器為交流負載提供電能。另一方面也可通過控制器將多余的電能送入蓄電池內(nèi)貯存起來，提供夜間所需的電能。

2.2 目前太陽能發(fā)電的節(jié)能減排分析

太陽能光伏發(fā)電相比火力發(fā)電，可以減少污染物的排放，起到節(jié)能減排的作用。表1是天科光伏公司對上海、蘇州地區(qū)的太陽能節(jié)能減排的分析。

表1 發(fā)電量與節(jié)能減排分析

100 kW光伏項目 kWh/年 節(jié)省 減排

標(biāo)準(zhǔn)煤 二氧化碳 二氧化硫 氮氧化物

年均發(fā)電量 85800 33.46T 87T 0.8T 0.23T

25年總

發(fā)電量 2145000 836.5T 2175T 20T 5.75T

3 蘇州太陽能發(fā)電的可行性

3.1 環(huán)境可行性

蘇州全年太陽總輻射4605.55 MJ/m2（兆焦/平方米），日均太陽輻射為12.62 MJ/m2，其中7月份太陽輻射最多，達到日均17.17 MJ/m2；1月份最少，為7.05 MJ/m2。全年日照時數(shù)1829小時，年日照率為42%。endprint

3.2 經(jīng)濟可行性

蘇州屬于III類資源區(qū)，蘇州的光伏發(fā)電的上網(wǎng)價格是1.0元/千瓦。分布式光伏的保底收入就是當(dāng)?shù)亍皹?biāo)桿電價+0.42元/度”，而正常情況下用電價格是高于當(dāng)?shù)厝济簷C組標(biāo)桿上網(wǎng)電價的，所以自發(fā)自用比例越高，收益越高。

表2 光伏發(fā)電入網(wǎng)價格

3.3 政策可行性

目前我國有多項政策對大陽能發(fā)電研究進行支持，其中國發(fā)〔2013〕24號《國務(wù)院關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》制定的發(fā)展目標(biāo)如下。

把擴大國內(nèi)市場、提高技術(shù)水平、加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級作為促進光伏產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的根本出路和基本立足點，建立適應(yīng)國內(nèi)市場的光伏產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務(wù)體系，形成有利于產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)體系和市場環(huán)境。2013～2015年，年均新增光伏發(fā)電裝機容量1000萬千瓦左右，到2015年總裝機容量達到3500萬千瓦以上。加快企業(yè)兼并重組，淘汰產(chǎn)品質(zhì)量差、技術(shù)落后的生產(chǎn)企業(yè)，培育一批具有較強技術(shù)研發(fā)能力和市場競爭力的龍頭企業(yè)。加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，提高多晶硅等原材料自給能力和光伏電池制造技術(shù)水平，顯著降低光伏發(fā)電成本，提高光伏產(chǎn)業(yè)競爭力。保持光伏產(chǎn)品在國際市場的合理份額，對外貿(mào)易和投融資合作取得新進展。（國發(fā)〔2013〕24號國務(wù)院關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見（節(jié)選），2013.8）

所有的這些政策，基本上都是對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的支持。

4 太陽能發(fā)電模型的建立

4.1 太陽能電池組件

該項目建立的模型如下。

1）系統(tǒng)硬件配置。10 W太陽板X2、電源箱、導(dǎo)線、LED光源（2W球泡、3 W球泡、8 W球泡、6 W＼300 MM燈管、9 W＼500 MM燈管，客戶可根據(jù)應(yīng)用需求做出組合選擇）組成。①普通家居照明可選1 W球泡或2 W燈管；②商業(yè)照明可選3 W球泡或4 W燈管。

2）系統(tǒng)可照明時間說明。①滿電狀態(tài)下可為：2 W光源照明最少8小時；②在光照充足的情況下，太陽板充電一天可為2 W光源提供12小時所需電能；兩天可以基本充滿電；③如果遇到持續(xù)陰雨天，太陽板將無法為系統(tǒng)正常補充電能，請縮短每晚照明時間，從而延長照明天數(shù)；④每天晚上照明4-6小時以內(nèi)，白天及時充電，盡量使電池始終處于滿電狀態(tài)，這樣既可以保證系統(tǒng)有3天的儲電量，也可以大大延長蓄電池的使用壽命。

3）持續(xù)陰雨天時請關(guān)注電壓表，當(dāng)指針顯示電壓低于12 V時，請及時充電！如天氣未能轉(zhuǎn)晴，可用專用的AC220V—DC12V適配器為系統(tǒng)充電。

4）充電插口有兩個，太陽板、適配器均可任意接入充電。

5）照明插口有四個，位于USB接口的下方，插上光源的插頭即可照明。

6）指示燈說明見電源箱的說明，系統(tǒng)設(shè)置為微電腦默認(rèn)模式，正常使用即可。

4.2 蓄電池

牽引式蓄電池是目前光伏系統(tǒng)中的最常用蓄電池為，通常放電率可超過80%，該類型的電池主要有VRLA（鉛酸）蓄電池、Ni-Cd（鎳鎘）蓄電池和Ni-H（鎳氫）蓄電池三種類型。涉及2 V、4 V、6 V、12 V和24 V等型號電池，品種有0.5AH～2000AH近百個規(guī)格。

蓄電池應(yīng)與太陽能電池、負載相匹配。可采用一種簡單方法大致確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池板額定輸出功率和負載輸入功率之間的關(guān)系在華東地區(qū)大致是2～4：1，系統(tǒng)才能正常工作，具體比例要根據(jù)燈具每天工作時間以及對連續(xù)陰雨天照明要求決定。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓的20～30%，才能保證給蓄電池正常充電。蓄電池容量必須比負載日耗電量高6倍以上為宜。

4.3 專用控制器

本系統(tǒng)的控制器電路主要完成以下功能。

1）為了防止蓄電池深度放電和過度充電的問題，必須限制其充、放電條件，以延長蓄電池的使用壽命。

2）控制器電路，同時實現(xiàn)了負載控制功能，能自動光控或者時控方式下的路燈工作狀態(tài)。

3）控制器具有以下幾個特點：防反充電控制；防過充電控制；防過放電控制；光控自動切換負載工作。因此，在溫差較大的地方能進行溫度補償功能。該產(chǎn)品技術(shù)已極為成熟，設(shè)備型號有數(shù)十種之多。

4.4 蓄電池參數(shù)

為了有效減少蓄電池的數(shù)量，本項目設(shè)定了工作目標(biāo)，以此來設(shè)計匹配不同型號的蓄電池。根據(jù)前期調(diào)研，為了實現(xiàn)最終模型，本項目需要在蓄電池充滿情況下連續(xù)工作5個陰雨天，得出蓄電池容量應(yīng)為（AHL×DW/ DOD =69.58×5/0.6=579.8AH），因此本項目選用了4臺24 V150AH的蓄電池來完成目標(biāo)。若根據(jù)負載需要設(shè)計匹配不同型號的蓄電池，可有效減少蓄電池的數(shù)量。此外，為了將蓄電池工作電壓由24 V降低到12 V供負載使用，還需使用直流降壓器。

4.5 太陽能電池組件

蓄電池總充電電流

式中，ε為太陽能組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，取ε=1.05；η為蓄電池充電效率，取η=0.9。

CS6P-240型太陽能電池組件數(shù)量N

為了保證系統(tǒng)在太陽輻射最少的月份能穩(wěn)定運行，必須對系統(tǒng)設(shè)計進行校對。蘇州地區(qū)而言1月份日平均太陽輻射最低，為7.05兆焦/平方米即1.96 kWh/m2。系統(tǒng)日耗電量為3.39 kWh，單晶硅電池效率為18%，則CS6P-240型太陽能電池組件數(shù)量N。

5 總結(jié)推廣

5.1 成功之處

我們團隊能夠熟練掌握太陽能光伏發(fā)電的基本原理，組裝過程，注意事項等。團隊的每位成員都能夠快速、正確的配置安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

5.2 有待提高

雖然該項目已經(jīng)接近尾聲，但還有一些不足之處，如：

1）模型較小，因為考慮到攜帶、演示的方便，我們的模型較小，功率不大。

2）目前太陽能光伏發(fā)電的設(shè)備較貴，如果要聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，一般至少要2 kW，而2 kW的價格基本上在16000元左右，我們的科研經(jīng)費受限。等工作后，我們可以利用業(yè)主、社區(qū)或企業(yè)，提供經(jīng)濟支持，建立聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

6 總結(jié)

經(jīng)過大家辛苦努力，大家學(xué)到了很多太陽能光伏發(fā)電的知識，該項目的調(diào)研報告終于完成了，模型也基本上能夠展現(xiàn)太陽能發(fā)電原理和實際的應(yīng)用。

參考文獻

[1]張曉俊，吳璽，何建龍，等.太陽能公交車站系統(tǒng)的設(shè)計及分析[J].信息化研究，2011（1）.

[2]劉漢元.加快發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè) 確保我國能源與環(huán)境安全[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2013（7）.

作者簡介

姚樹春，男，項目管理師。

劉雅婧，女，工程師。endprint