家用光伏發電系統在“光伏發電技術”教學中的應用研究

仇成群，莊國策，徐 璐，胡天云

（1.鹽城師范學院 新能源與電子工程學院，江蘇 鹽城224007；2.國網江蘇省電力公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城224002）

0 引言

“光伏發電技術”是電氣類相關專業的一門重要核心課程[1]。該課程由于知識點多、應用性強的特點，提出可以通過應用實踐調查來分析研究光伏發電技術原理、分類、并網和應用經濟效益等，實踐表明能夠有效地提高該課程的實際教學效果，并可提高學生實踐創新能力。中國光伏發電產品的出口份額一直占據較高比例，而國內的總裝機量卻一直處于低迷狀態，光伏發電系統價格較高，每年光伏設備的銷售量增長緩慢，隨著光伏產業的進一步發展，中國光伏市場的進一步擴大，光伏發電系統的市場價格也會逐步降低[2]。2011年以來，中國政府專門制定并實施了一系列綠色能源政策，為光伏發電產業的發展提供了政策性指導[3]。文中以江蘇省鹽城市為例，針對江蘇沿海地區家用光伏并網發電系統進行了應用分析與研究。

1 光伏發電系統原理及組成

光伏發電原理圖如圖1所示，白天光照條件下，主控CPU電路檢測太陽能電池組輸出狀況，并依據系統發電功率的最大值，控制變換器DC/DC，此時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變成交流電，再由切換電路為電器供電。在沒有太陽光照時，太陽能發電系統不工作，此時主控CPU檢測到系統沒有進行發電工作，則由蓄電池組通過DC/AC直接給電器提供電源，當光伏發電系統儲存的電能不夠，則切換到電網供電線路。

圖1 光伏發電原理圖

家用光伏系統一般包括太陽能電池板、逆變器、穩壓器、電表等組成部件，其主要功能是將太陽能轉化為電能給家用電器供電或者并入電網。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，太陽能光伏并網發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，沒有獨立的屋頂或平臺安裝太陽能電池組，只能將電池板安裝在外墻上，太陽能電池板安裝過程中，合適的安裝角度是太陽能源效利用的保證。根據實地測量，電池板每偏轉正南方向30°角時，發電量以10%～15%的幅度減少。

2 江蘇沿海地區地理位置及居民用電調查分析

鹽城位于北緯32度34分至34度28分，東經119度27分至120度54分，鹽城地區日照量充足，每月的輻射量都比較平緩，適合安裝并使用家用光伏發電系統。2016年與2017年兩年鹽城地區的太陽輻射總量分別為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，通過計算可以求鹽城地區的峰值日照時數日，鹽城地區氣象數據顯示日輻射總量為14.64 MJ/m2，得出鹽城地區的峰值日照時數為4.07 h.

全市的中小型企業較多，企業利潤較之前有很大增長，鹽城居民的收入位于全國前100強，經濟實力增長為鹽城推廣家用太陽能光伏發電系統提供了基礎。另外，鹽城地區土地面積居江蘇省第一位，人口密度較大，鹽城地區光伏發電產業具有很大的發展空間。抽樣調查對象為隨機抽取的鹽城市普通居民普通住宅小區30戶居民，鹽城供電公司調查了30戶居民2016～2017年的12個月用電量、用電費用及收入情況，并依據鹽城地區居民階梯電價要求計算該30戶居民的每月平均電費，調查以鹽城為例，調查詳實，樣本具有很高的代表性，能代表江蘇沿海地區主要普通居民用電狀況。

3 家用光伏系統經濟效益研究

家用光伏并網發電系統的設計和運用對我國國民生產生活的可持續發展具有重要意義。以適合居民的3 kW家用光伏發電系統計算相關經濟效益，計算出居民安裝3 kW光伏并網發電系統的成本和預計收益并比較分析。

3.1 家用光伏發電系統發電量及成本計算

以3 kW光伏并網發電系統為測試樣本系統，文中選用的晶硅太陽能電池板規格為200 W，采用深圳市天龍王能源科技有限公司的太陽能組件，其轉換率約為15%.光伏發電系統共需要20塊電池板，單個電池板的規格為1 580 mm×808 mm×30 mm，20塊電池板的總面積為25.53 m2.通過查閱江蘇沿海地區氣象資料，江蘇地區近年來的太陽年輻射量為5 016 ～ 5 852 MJ/m2，文中取 5400 MJ/m2，普通居民使用光伏發電系統理論年發電量約為5 744 kW·h.濕度、天氣氣候、空氣質量等環境因素都會對系統產生影響，太陽能電池實際輸出功率達不到最佳功率，考慮角度、溫度對電池的影響等因素，折算后的實際效率約為0.85，由于光伏發電系統的各項組成組件在發電時都會有一定的電損耗，系數按0.96計算，再綜合各種因素影響，得出系統總效率為61%.計算得出光伏發電系統的實際發電量約為3 561 kW·h.

家用光伏發電系統的成本包括：設備采購費、設備維護費、人工安裝費。設備采購費包括：太陽能電池組件、蓄電池、逆變器、控制器、電纜、電表等。經過市場調查，器材成本約為23 996.0元。設計與施工費用：由于太陽能光伏系統的推廣得到企業和政策的支持，所以費用有所減少，共需約2 000.0元。家用光伏并網發電系統總造價約為26 000.0元。

3.2 光伏發電系統的經濟性

以江蘇省鹽城市為例，調查城鄉居民家庭用電狀況，數據顯示每月平均用電84.25 kW·h，年用電量1 011 kW·h，光伏發電系統年發電量為3 561 kW·h，用戶除了自用電量之外，將2 550 kW·h入網獲得收益。根據居民住房的特點，家庭用電電力負荷隨著時間呈現峰谷起伏趨勢。根據現我國對于光伏行業的補貼政策，供電企業對用戶的光伏發電量補助分為發電補貼和上網電費兩種。用戶安裝使用光伏發電系統，每年可獲得2 674.68元。系統總投資26 000.0元，該項目的總投資成本為26 000元，年凈收益為2 674.68元，得到投資回收期為9.72年，即該項目投資回收周期為10年，從第11年起開始盈利。設備使用壽命一般為20年，每年可以獲利2 674.68元（以目前情況估算），20年內可以獲利27 493.6元，投資回報率102.87%，可獲得較高收益。家用光伏并網發電系統為用戶帶來切實經濟收益，符合可持續發展理念。

4 家用光伏發電系統未普及的調查分析

4.1 調查問卷

文中以調查問卷的形式對江蘇沿海地區不同人員（包括政府人員、城市居民、從商人員、農村居民等）來分析其中原因。隨機發放問卷于鹽城建湖蘆溝鎮、阜寧縣北沙鎮、響水縣小尖鎮以及東臺、大豐、亭湖、鹽都等地區，共發放問卷1000份，回收問卷923，其中有效問卷867份，有效回收率86.7%.

4.2 調查分析

從調查數據分析，近23.1%的人完全不了解光伏發電，僅10.5%的人對此有一定了解，而對光伏發電非常了解的人不足1%，有54.6%人比較看好家用光伏系統，同時87.9%的人認為1萬元以下才會投資。一個家用光伏系統的成本大概在2.6萬元，成本回收期10年，超出了普通人期望。從調查結果看，36.7%的人（城市居民）認為屋頂資源存在產權問題，23.4%的人（企業人士）認為商業模式存在著問題，92.6%的人覺得投資家用光伏發電不劃算，19.2%的人表示城市與電網規劃有問題。另外，還有45.7%的人認為政府宣傳不到位。對于用戶，最重要考慮因素便是財政補貼，初始造價高是影響家用光伏系統發展的重要原因。通過綜合分析，促進江蘇沿海地區家用光伏發電的舉措可為：（1）屋頂資源利用，促進城鄉屋頂資源合理分配利用；（2）技術革新，降低成本，提高發電效率；（3）宣傳推廣，促使政策透明化，手續精簡化；（4）加大補貼，包括購機補貼、發電補貼、上網補貼；（5）創新投資模式，企業、用戶、社會多方受益。

5 結束語

本文針對“光伏發電技術”這門課程應用性強的特點，提出通過實踐調查研究光伏發電技術家用應用狀況，根據對江蘇沿海地區的自然條件分析，綜合普通家庭用電及收入狀況，考慮光伏發電設備的安裝成本以及發電的預期收益，以鹽城為例，分析了江蘇沿海地區家用光伏系統存在的問題并且提出合理建議。加大補貼的同時，從資源利用、宣傳推廣、投資模式、技術革新多方面促進家用光伏發電系統應用發展。通過調查應用實踐表明，學生可以更好地理解和掌握光伏發電技術原理、分類、并網和應用經濟效益等，能夠有效地提高該課程的實際教學效果并提高了學生實踐創新能力。