云南農村家用太陽能光伏發電系統的設計與探討

付宏才，董　曉，陳　婷，張雪萍，鄭永春（云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明　650201）

云南農村家用太陽能光伏發電系統的設計與探討

付宏才，董曉，陳婷，張雪萍，鄭永春
（云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明650201）

考慮云南大部分地區常年太陽光照時間較長，利用光伏發電清潔、安全、可靠的優點，設計一種適用于云南農村家庭使用的小型太陽能光伏發電系統，以助于解決云南偏遠農村用電難、尤其是大功率用電難的問題。結合云南氣象參數和大多數家庭用電狀況，以 “方便銷售和安裝、價格低廉”為宗旨，設計集成、經濟的方案，并選定主要設備的技術參數，為太陽能設備生產廠家和家庭用戶提供參考。

光伏發電；集成系統；農村家庭；云南

0　引言

在我國能源與環境雙重壓力下，太陽能作為一種清潔、高效和永不枯竭的新能源，已成為很多國家可持續能源戰略的重要組成部分。

云南位于我國西南部，地形以高原和山地為主。農村人口約占61%，村民居住較為分散。部分農村人口居住在偏遠山區，地形復雜。農村用戶用電負荷小且分散，電網架設與維護困難，且成本較高。但從另一角度看，云南地區因緯度低、透明度好、大氣層稀薄，光照時間長，日照時間年均值超過2200h，相對日照接近60%，太陽能資源豐富，使用自發自用的小型太陽能發電系統有天然優勢。

1　家用小型集成太陽能光伏發電系統結構原理

1.1太陽能光伏發電系統結構

太陽能光伏發電系統是利用光伏組件半導體材料的“光伏”效應，將太陽光的輻射直接轉化為電能的新型發電系統。太陽能發電的使用通常有兩種方式，一種是并網發電方式，另一種是依靠蓄電池來進行能量存儲的離網發電方式，主要用于因架設線路困難而無法到達的場合，比較適合云南偏遠地區［1］。獨立太陽能發電的小用戶供電系統由太陽能電池板、控制器、鉛酸蓄電池（組）和逆變器組成，其基本結構如圖1所示。

圖1　家庭太陽能發電系統結構示意圖Fig.1 Diagram of domestic solar power system

1.2家用太陽能光伏發電系統電路原理

太陽能光伏發電的原理［1］，白天，在光照條件下，太陽能電池將太陽能轉換成電能，通過充放電控制器給負載供電；同時，通過充放電控制器對蓄電池充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來。晚上，通過逆變器的作用，將蓄電池中的直流電轉換成交流電，給交流負載供電。

通過技術改進，本集成系統把充放電控制器和逆變器做成控制逆變一體機，該裝置集控制、穩壓、逆變于一體，接線方便，操作簡單。根據以上原理，技術改進得到家用太陽能供電系統集成電路原理，如圖2所示。

圖2　家用太陽能供電系統集成電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of domestic solar power system

2　家用小型太陽能光伏發電系統的設計與選型

據統計，1kW光伏發電系統，可用于家庭照明、電視、電腦的使用；3kW光伏發電系統可滿足一家3口人的生活用電需求，特別是廚房用電；5kW光伏發電系統可以滿足一家5口人的需求。表1中的電器類型（負載類型）是對云南農村普通家庭用電負荷情況大量調查統計后得到的；功率大小則是按照經濟性原則盡量選擇目前市場上最為節電的電器功率。調查情況還反映出：農村家庭高峰用電時的功率并不比城市居民小多少，但在大多數時間里大功率電器（如表1中電磁爐、飲水機）是不用的，即高峰用電次數并不多。這和農村家庭大量燒柴的現實分不開，因此農村家庭日均、月均用電量卻比城市居民小很多。考慮到農村家庭自用電一般都不是滿負荷，因此云南農村家庭用電負載基本上在3kW以內；設計一個3kW的太陽能發電系統，具有代表性，可滿足大多數農村家庭的用電需求，且最大好處是可減少農村家庭對木柴的依賴、有利于家庭清潔衛生和生活方便，對地方生態環境的保護又十分有利；同時還有望減輕對農村電網的管理成本。

2.1蓄電池設計與選型

（1）蓄電池設計。蓄電池的作用是在有光照時將太陽能電池方陣發出的電能儲存起來，并隨時向負載供電。光伏方陣在白天有光照時發出的電優先通過控制器、逆變器供給用電設備，剩余的電量儲存到蓄電池中，可以晚上或者陰天時通過逆變器備用。民用光伏系統廣泛使用鉛酸蓄電池，是因為鉛酸蓄電池價格低廉，易于維護，使用壽命較長。綜合考慮，本系統選用鉛酸蓄電池。蓄電池容量的計算要考慮逆變器效率、最長連續無日照天數及負載容量等諸多因素，所需并聯蓄電池的數量［2］：

表1　云南農村家庭主要用電負載表Tab.1 Main Power loads of a rural family in YUNNAN

式中：C0—并聯蓄電池數量；D—最長連續無日照天數，取3天；Pl—AC日均負載功率（kW），取3kW；Kb1—蓄電池的放電深度系數，取0.5；Kb2—逆變器的轉換率系數，取0.9；P0—所選取某型號蓄電池的額定功率，取200Ah；V—系統直流電壓（V），取24V。由此，解得C0= 4，且能夠與24V直流系統電壓相匹配。

（2）蓄電池選型。綜合考慮，本設計選用某公司4塊鉛酸蓄電池，規格參數見表2。

表2　某型號蓄電池性能參數Tab.2 Performance parameters of a type of battery

2.2太陽能電池方陣設計與選型

（1）太陽能電池方陣設計。多個太陽能電池組成太陽能電池陣列，實現光能到電能的轉化。目前，太陽能電池主要分為晶體硅和非晶體硅兩種，而晶體硅又分為單晶體硅和多晶體硅。據市場調研，市面上大多數都是晶體硅電池。單晶硅電池的光電轉換效率約在17%～22%左右，最高可達24.7%，且適用壽命在15年左右；而多晶體硅電池的轉換率約在16%～19%左右［3］。綜合考慮，本系統的太陽能電池組件選用單晶體硅太陽能電池。光伏電池組件數量［2］：

式中：Np—光伏電池組件并聯數，取整數；Pl—設備負載功率（W）；V—系統直流電壓（V）；Hp—峰值日照小時數（h），取6h；Imp—光伏電池組件的峰值電流（A），見表3；Kp1—蓄電池的充電效率，取0.8；Kb2—逆變器的轉換效率，取0.9。由此，得到Np=6，且能夠與24V直流系統電壓相匹配。

（2）太陽能電池方陣選型。綜合考慮，本設計選用某公司6塊單晶硅電池板組成的光伏方陣，規格參數見表3。

表3　某型號單晶硅電池組件性能參數Tab.3 Performance parameters ofa type ofsingle crystalsilicon cellmodule

2.3控制器和逆變器的設計與選型

（1）控制器的設計。控制器的作用是控制整個發電系統的工作狀態，對所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往負載，另一方面把多余的能量送往蓄電池存儲［4］，且能自動預防蓄電池過充電和過放電。蓄電池的循環充放電次數及放電深度決定了蓄電池使用壽命，所以，作為控制蓄電池組過充或過放的充放電控制器是非常關鍵的設備。控制器的方陣控制電流和充電電流應能滿足方陣短路電流的要求。方陣短路電流：

式中：I—方陣短路電流；I0—電池板短路電流，見表3；Np—需并聯的光伏電池板數量；k—安全系數，取1.25。由此，解得I=43.5A。選取24V/45A的控制器，可與24V直流系統電壓相匹配。

（2）逆變器的設計。逆變器是一種把太陽能發出的直流電轉換為交流電的裝置，轉換的交流電供負載使用［1］。由于太陽能發電系統直接發出的電能一般是12V DC、24V DC、48V DC，為了給一些220V AC的負載提供電能，需要將系統發出的直流電轉換成交流電。根據負載功率要求，選擇1500W的逆變器可滿足需求。

（3）工頻逆控一體機的選型。工頻機具有性能穩定、使用壽命長、故障率低、易維護等優點。工頻逆控一體機集控制器和逆變器于一體，擁有卓越的逆變器功能，性能穩定，自身損耗小，價格低，可24小時工作，是家用小型發電系統的不二選擇。本設計選用某公司的工頻逆控一體機，其規格參數如表4所示。

表4　某型號工頻逆控一體機性能參數Tab.4 Performance parameters of a type of power frequency-inverter-controller all-in-one

3　成本與經濟性分析

本設計中太陽能光伏發電系統的主要成本來自：蓄電池、太陽能電池組、工頻逆控一體機、支架、電線、人工費等，參見表5。

以云南地區為例，查閱相關數據可知，該太陽能發電系統一年發出的電量約為3600kWh，如果按家庭用電單價0.6元/度計算，一年可節約電費3600×0.6=2160元（不過這個開支節約的前提是，農村家庭要盡量放棄使用木柴，改用太陽能供電來解決廚房用電問題）。理論回收期17800÷2160=8.2年，約為8年。

從目前來看，太陽能發電系統的經濟性不是很好，主要體現在相關設備的價格較高，分攤的發電成本偏高，這離云南普通農村家庭的心理價位還相差甚遠。然而，考慮到太陽能光伏發電的清潔、安全、使用方便等“附加值”，就不宜單純與傳統的發電模式進行單純的成本比較，在取代農村燒柴做飯等用電大頭問題上，優勢就更加明顯，尤其是森林砍伐日益嚴重，我們不得不呼吁政府對這種新能源在農村的推廣應用給予一定的政策與資金扶持。同時，光伏技術在現代農業、養殖業中的發展，如在光伏灌溉、光伏農業大棚等方面使用非常廣泛［5］，這有利于在農村、農業領域推廣和綜合利用太陽能發電技術創造良好的氛圍。

4　結束語

光伏發電作為清潔、安全、實用的供電方式，可以幫助解決云南無電、電網脆弱、大功率用電難等農村地區的用電問題。本文結合云南氣象參數，突出方案的集成性和經濟性，選定部分設備的技術參數，設計農村家用3kW太陽能發電系統，并進行了成本與經濟性分析，力求系統功能可靠、價格低廉，方便銷售和安裝，為太陽能生產廠家和家庭用戶提供參考。總體上看，該系統的價格目前離普通農村家庭的心理價位和經濟接受能力還有一段距離。因此，出于長遠考慮，為了推廣這種新型系統，建議：

（1）政府給予一定的政策扶持，有利于雙向降價：既可以讓農村家庭減少支付，也可以降低規模生產的成本。

（2）由于目前太陽能供電成本相對較高，如果在云南農村地區把推廣沼氣使用和推廣太陽能結合起來進行，可以很好地解決農村大功率用電、耗能問題，特別是廚房耗能問題。經驗告訴我們，兩者配合使用完全可以解決農村家庭的能源消耗問題，營造出農村家庭清潔、方便的生活環境。

（3）由于太陽能發電系統相關技術進步速度驚人，特別是蓄電池技術和光伏技術的進步，相信不久的將來，太陽能光伏系統的技術成本會有大幅度降低，太陽發電系統走入普通農村家庭的時代即將來臨。

［1］沈文忠.太陽能光伏技術與應用［M］.上海交通大學出版社，2013.

［2］美國國際太陽能協會，譯者：李雅琪.太陽能光伏發電設計與安裝指南［修訂版］［M］.湖南科學技術出版社，2013.

［3］楊金煥.太陽能光伏發電應用技術［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［4］王東.太陽能光伏發電技術與系統集成［M］.北京：化學工業出版社，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，湖北隨州人，博士，副教授。主要研究方向：農業系統工程。出版譯著一部、合著一部，發表論文四十余篇；董曉（1990-），女，山東鄒平人，碩士研究生。主要研究方向：農業電氣化與自動化。