基于3kW分布式光伏發電系統的經濟社會效益研究

李曉偉，李昭剛，談文松，張傳洋

（1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安271018）

1 引言

太陽每秒鐘噴射的能量大約是1.6×1023kW，其中抵達地球的能量高達8×1013kW，相當于6×109t標準煤。假如把地球表面0.1% 的太陽能轉換為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×1012kW·h，相當于目前世界上能耗的40倍［1］。

太陽能并網光伏發電系統作為一種可再生能源系統在國內推廣和應用，我國是世界上能源消費大國，在已知的新能源開發中，太陽能必然能滿足人類發展的能量需求。太陽能光伏發電的運用必將能提高環境狀況，緩解全球能源緊缺的現狀。

本文基于實際工程，研究光伏發電并網系統，并調查了截至2014年前三季度的太陽能光伏發電系統的政策及發展現狀，對屋頂光伏發電系統的發電量及電力消耗情況進行實例剖析，評價了因導入光伏發電系統帶來的節能、環保和經濟性影響。

2 太陽能光伏發電的現狀及政策

作為戰略性新興產業，光伏發電在各國政策的鼓勵下，發展迅速，規模擴大。

2014年前三季度，全國新增光伏發電并網容量379萬kW，其中，新增光伏電站并網容量245萬kW，新增分布式光伏并網容量134萬kW；全國光伏發電量約180億kW時，相當于2013年全年發電量的200%。國家電網公司運營范圍內新增光伏發電裝機320萬kW，其中光伏電站205萬kW，分布式115萬kW；南方電網公司經營范圍內新增光伏發電裝機28萬kW，其中光伏電站12萬kW，分布式16萬kW。甘肅累計光伏電站并網容量達到466萬kW，青海達到365萬kW，新疆達到313萬kW。而江蘇累計分布式并網容量達到70萬kW，浙江達到46萬kW，廣東達到44萬kW。

隨著近10年光伏產業的迅速發展和技術水平提高，光伏發電效率不斷提高，組件成本一直下跌，然而與其他發電方式相比，光伏發電的成本依然很高。其中，火力發電的成本大約在0.4元/度，水電的發電成本為0.2～0.3元/度，核電的發電成本為0.3～0.4元/度，風電的發電成本為0.6元/度，但是，光伏發電的成本卻依然高達0.9～1.0元/度。因而，至少在目前的技術水平條件下，光伏發電仍然需要依賴政府的補貼支持，還不能完全脫離補貼、不能獨立參與電源市場競爭。

3 光伏發電并網系統的研究對象

分布式并網光伏發電系統由光伏組件、并網逆變器、控制裝置組成。研究系統位于山東省泰安市岱岳區的住宅屋頂上，此研究對象是用12塊電池板串聯，每塊光伏組件的功率是250W，系統的總功率是3KW，于2013年6月4號成功并網，系統組成如圖1所示。

圖1 光伏發電并網系統組成

3.1 系統采用的光伏組件

本設計采用多晶硅光伏組件，選用的組件外形尺寸為1650mm×990mm×40mm，單組功率為250W，10年不低于91.2%的標稱輸出功率，25年不低于80.7%的標稱輸出功率。具體組件參數如1所示。

表1 設計選用的多晶組件技術參數

12塊光伏板并排列于屋頂上，該設計規模較小，主要用于光伏發電系統的研究與驗證，根據當地緯度粗略確定太陽能光伏陣列的傾斜角［2］，系統采用自制可調整角度鋼架固定留有兩個傾角，一個是40°，一個是20°，12塊電池板橫向排列。

3.2 光伏逆變器

將直流電能轉變成為交流電能的過程稱為逆變，通常將DC－AC變換電路、控制電路、驅動及保護電路組成的DC－AC逆變電源稱為逆變器（Inverter）。它使轉換后的交流電的電壓、頻率與電力系統交流電的電壓、頻率相一致，以滿足為各種交流用電設施、設備供電及并網發電的需求。

此研究對象的光伏并網逆變器選用某公司的高頻隔離光伏并網逆變器（ASP－1.5/2/3/4KHF系列）。其逆變器的電路結構如圖2所示［3］。

圖2 逆變器的結構

逆變器是光伏發電系統的核心部分，在整個并網系統中，各部分對光伏對逆變器都有相應的要求。作為電能的輸入端，光伏陣列對逆變器的要求就是使輸出電壓最大化，使陣列工作在最大功率點，得到最大工作電壓；在并網端，電網對逆變器要求也很嚴格，電網是一個大系統，對電能質量要求很嚴格，逆變器的輸出電壓的波形、頻率、相位必須與電網一致，同時逆變器還要有能防止孤島效應的作用；而作為用戶，對逆變器的要求就是成本低、高可靠性、維護簡單和使用壽命長。

4 分布式光伏發電系統的實測對象

光伏發電系統所測量的對象如表2所列。居民家里所有的用能設備均為用電設備，空調是冷暖兩用空調機 ，熱水供應采用電熱水器，其他的電力消耗主要是家電和照明。所有消耗的電力由屋頂光伏發電系統和電網兩者配合提供，當陰雨或夜晚光伏發電系統不發電時或者白天發電量不能滿足家庭用電需求時，電網會向居民提供用電，由居民從電網購電；而當晴天光伏發電系統的發電量超過家庭用電量時，除了自身家庭用電外，多余的電力將上網賣給電網。研究的對象是位于山東泰安岱岳區的居民住宅。由于住宅本身的方位角和屋頂的傾斜角度，光伏陣列的設置要符合當地住宅的實際情況，所以陣列模塊的方位角和傾斜角與住宅的相一致［4］。

表2 3kw光伏發電系統

4.1 實測結果

（1）月累計電量圖3顯示了住宅的2013年6月到2014年5月的月累計電量。表3統計了不同時段的月累計電力詳細情況。

表3 不同時段的月累計電力統計 kW·h

圖3 月累計電量

住宅在1月份的消費電量也比其他月要大 ，這主要是因為冬季的供暖用空調耗電增大 ，且熱水負荷也比夏季和春秋季要大。發電量中的自家消費量的最大值出現在8月份。

4.2 應用評價

4.2.1 節能效果評價

圖4顯示了研究對象住宅的一次能源節約量。以電網能夠不需消耗太陽能光伏發電系統的發電量，從而可以節約投入到發電廠的一次性能源的方法來評價太陽能光伏發電系統的節能性。我國火力發電廠最多大約為40%～42%，以電網的39%的發電效率來計算太陽能光伏發電系統發電量的一次能源節約量。9月份的節能量最大 ，住宅可節約的一次性能3937MJ。即使在發電量最低1月份 ，住宅仍可節約一次能源2243MJ。

圖4 一次能源節省量

以國內電廠的平均能耗水平來說，每節約1度（kW·h）電，就相應節約了0.36千克標準煤，此系統每年可發電5000度電，可節約年燃料能耗1.8噸標準煤。

4.2.2 環保效果評價

以國內電廠的平均能耗水平來說，注：每節約1度（kW·h）電，可減少污染排放0.272千克碳粉塵、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。

表4 減排計量

以二氧化碳的減排量來評價太陽能光伏發電系統的環保效果，太陽能光伏發電系統的二氧化碳排放主要來自于太陽能電池以及附屬設備的生產制造、運輸和施工過程。住宅的月最大二氧化碳減排量是8月，也是月累計發電量最大的月份。

4.2.3 經濟社會效果評價

我國對分布式光伏發電量進行貼補支持，有兩種方式，一種是“自發自用、余電上網”，1度電補貼“0.42元/kW·h”，上網部分按燃煤脫硫標桿電價收購“0.44元/kWh”。2014年9月5日，國家新能源局規定，分布式光伏發電也可以“全額上網”的并網方式享受光伏電站標桿上網電價。

對于“全額上網”，山東省規定“2013～2015年并網發電的光伏電站標桿上網電價為每千瓦時1.2元（含稅），高于國家標桿電價（1元）部分由省級承擔”。對于本文涉及的系統，本項目每年發5000度電左右，若按“全額上網”，6年可收回成本；若按“自發自用，余額上網”，上網電價按脫硫標桿上網電價0.4469元/KWh，度電補貼0.42元/KWh，一般8年左右就可收回成本；學校、工廠、商業用電價格高，收回成本時間更短。

光伏發電對電網也有明顯的改善作用，光伏分布式并網發電情況下，在保證系統中各節點諧波水平在國家標準限值范圍內時，可以通過調整并網光伏容量來改善電網電壓水平，使系統達到最理想的狀態。同時也有電網調峰的作用，夏天用電量特別大，光伏發電量也是最大的季節；并且，白天用電高峰正是發電高峰。所以光伏發電可以對電網調峰起到很好的作用，緩解電網壓力。

5 結語

（1）我國通過制定各種開發計劃 ，融資制度，政府補貼計劃 ，設置可再生能源市場份額以及并網電價等的制度 ，大力促進了太陽能光伏發電系統的技術創新，降低了設備初期投資 ，促進了太陽能光伏發電系統的普及，成為能源產業的不可或缺的重要組成部分。

（2）所分析的屋頂并網光伏發電系統具有良好的節能、環保和經濟性效果。政府為推進太陽能光伏發電系統的技術創新和應用推廣，采取了一系列的補貼政策，對分布式光伏發電的開發推廣起到了一定的積極作用。

（3）以實際工程為例，介紹了工程的結構組成，對運行數據進行了統計，介紹了系統成本及后續經濟社會效益，光伏能源是未來重要的能源組成部分，要充分利用光伏發電帶來的有利影響，才能實現新型電網運行效率和性能優勢的最大化。

［1］王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［2］李忠實.太陽能光伏發電系統設計施工與維護［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］佚 名.ASP－1.5/2/3/4KHF光伏并網逆變器使用說明書［R］.濟南：山東奧太電氣有限公司.

［4］劉青榮，顧群音.日本太陽能光伏發電系統的政策和實例［J］.華東電力（TM615），2009（2）.

［5］國家能源局.國家能源局關于進一步落實分布式光伏發電有關政策的通知 ［2014］406號［R］.北京：國家能源局，2014.

［6］Chuanyang Zhang，Xiaowei Li，Mochen Liu，et al.Distributed Photovoltaic Power Generation.System Design and Grid Research［J］.Material Science and Advanced Technologies in Manufacturing，2014（1）：671～674.

［7］Zhongmei Xi，Zhiming Zhang，Ranran Wang，et al.Review on Islanding Detection Methods for Photovoltaic Inverter ［J］.TELKOMNIKA，2014（1）：433～441.