初探家庭太陽能光伏發電

伍 云 帆

(重慶市第一中學，重慶 400030)

0 引言

隨著石油及煤炭的大量開發，能源危機日益加重，對環境造成的危害也越發不容小視，因而對新能源的開發已迫在眉睫，盡可能用清潔能源取代傳統的礦物能源，是新能源發展應該遵循的原則。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，符合我國的環保、節能政策，正被國家大力提倡。

1 家庭太陽能光伏發電的發展前景

通常所說的家庭太陽能光伏發電往往特指分布式光伏發電，即在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側自發自用、多余電量上網，且在配電系統平衡調節為特征的光伏發電設施。目前我國應用較為廣泛的分布式光伏發電系統，就是建設在樓宇屋面的微型光伏電站，以家庭用戶為單位的光伏發電形式。

我國政府已將光伏產業發展作為能源領域的一個重要方面，并納入了國家能源發展的基本政策中，已先后確立了一系列相關制度和措施，支持光伏用戶發電并網，優惠電價，發放補貼，并在光伏建設貸款等方面給予光伏產業種種優惠，鼓勵光伏產業發展。2017年國家出臺的《電力發展“十三五”規劃》更是對分布式光伏設定了超常規發展目標，提出2020年分布式發電要達到70 GW，而到目前為止，分布式累計安裝量還不到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，即將迎來快速發展期。

2 家庭太陽能光伏發電系統原理及分類

2.1 家庭光伏發電基本原理

光伏發電是通過太陽電池板利用半導體的光生伏特效應，即太陽光照在半導體P-N結上，形成新的空穴—電子對，在P-N結內建電場的作用下，空穴由N區流向P區，電子由P區流向N區，接通電路后形成電流，見圖1。

2.2 家庭光伏發電系統分類

根據是否與公共電網并網，家庭光伏發電系統可分為家庭獨立光伏發電系統、家庭并網光伏發電系統。

2.2.1獨立離網光伏發電系統

家庭獨立光伏發電系統即離網光伏發電系統，與公共電網無直接聯系，主要由太陽能電池組件、蓄電池、控制器構成，若要為交流負載供電，還需要配置逆變器將直流電轉換為交流電。這類系統適用于太陽能資源豐富、無傳統電網或經常停電的地區，也適用于城市中鋪設線路困難且成本較高的場所，見圖2。

2.2.2家庭并網光伏發電系統

家庭并網光伏發電系統是通過逆變器將光伏電池板發的直流電變換為交流，經過相位整合后同電網的交流電合起來使用。主要由光伏電池板、逆變器、交流保護開關箱和電表組成。主要特點是用戶可將所發電直接輸送至電網，一般情況下無需蓄電池及控制器，降低了設備成本。相比獨立光伏發電系統，該類系統適用于已普及傳統電網的地區，現國家大力倡導的分布式光伏發電便屬于并網系統，見圖3。

3 家庭光伏發電的主要部件

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單元。組件作為室外安裝發電設備，是光伏系統的核心部分，其轉換率和使用壽命是決定太陽能電池板組件使用價值的重要因素。傳統的太陽能電池板可分為單晶硅、多晶硅兩大類，由于多晶硅片生產能耗低，生產過程無污染，且與單晶硅片相比價格相對低廉，投資更為經濟，因而在家庭光伏發電中被廣泛使用。

3.2 蓄電池

蓄電池為獨立光伏發電系統的必需設備，作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。由于在家庭使用過程中蓄電池經常處于頻繁的充、放電狀態，因此要求蓄電池具有良好的深循環能力，且能適應不同的環境，如高溫、低溫、高海拔等，在使用中應將蓄電池置于陰冷通風處，并盡量避免太陽直曬。目前國內被廣泛使用的主要是鉛酸免維護蓄電池、膠體蓄電池兩類。

3.3 控制器

控制器也為獨立光伏發電系統的必需設備，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確充、放電以及對負載電路進行保護，并具有簡單的指示功能、協議通訊功能。如不需要將白天發的電儲存至晚上使用，并網光伏發電系統則不需要設置蓄電池及控制器。

3.4 逆變器

由于光伏發電技術產生的電流為直流電，而日常生活中的設備大部分采用的是220 V,50 Hz的交流電，逆變器的工作就是將直流電轉化為家用的交流電。逆變器種類繁多，因此在選擇機種和容量時需特別注意，轉換的電壓應與蓄電池或電網匹配。除此之外，還應具備一定的帶載能力、保護能力以及絕緣能力。

4 重慶家庭光伏發電系統可行性及經濟分析

本文以重慶為例，對目前國家大力提倡的家庭分布式并網光伏發電系統進行粗略的可行性及經濟分析。

4.1 重慶太陽能資源

重慶屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季劃分明顯。年日照時數1 000 h～1 400 h，日照百分率為25%～35%，冬、春季日照少。根據國家太陽能光熱標準圖集(建質【2006】281號)明確，重慶地區10年期平均日照強度為3 636 MJ/m2。按照QXT 98—2008太陽能資源評估辦法，以太陽能總輻射的年總量為指標，進行太陽能資源豐富等級評價，重慶屬于太陽能資源一般地區，年日照總量為1 600 h，可以建設屋頂太陽能光伏發電系統。

4.2 重慶光伏資源政策

根據重慶市發展與改革委員會、重慶市能源局自2016年至今給予公開回復及頒布政策，重慶市支持太陽能發電分布式光伏項目。其次，重慶地區現有執行的補助政策，是根據國家發改委2018年度批準實施的分布式光伏發電補貼政策執行，政策采用全電量補貼，即以光伏發出實際電量為準，每度電補助0.37元/度。

4.3 家庭用電需求及發電量

根據常規用電指標，住宅以50 W/m2計算電力負荷，以建筑面積140 m2的住宅為例，家庭用電需求約為7 kW。

按重慶標準日照時間每年1 600 h，系統綜合效率80%(一般取值為75%～85%)計算，安裝容量7 kW的家庭年發電量約為8 960度，日發電量約為24度。

4.4 投資收益估算

4.4.1投資成本估算

從全國范圍來看，目前太陽能光伏發電的成本為6元/W～8元/W。本文取上限值，按照8元/W計算，裝機容量7 kW的家庭太陽能光伏發電的投資成本為5.6萬元，該費用包含了設計、設備、施工及并網等。

4.4.2收益估算

按照自發自用，余電上網的并網模式，家庭光伏發電的收益主要包含以下兩部分：

1)政府補貼收入。按照現行的每度電補助0.37元/度的國家政策，年補貼收入為0.37×8 960=3 315.2元。

2)節省的電費。家庭用電自發自用，無需再從電力公司購買，按全額用完考慮，避免電費支出0.52×8 960=4 659.2元。(未考慮階梯電價，電價按0.52元/度計算)。

綜上，年度總收益為3 315.2+4 659.2=7 974.4元。

4.4.3結論

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

5 家庭太陽能光伏發電存在的問題

近幾年，在國家政策的指引下，我國光伏產業應用蓬勃發展，但同時還存在眾多制約行業持續發展的突出問題。

5.1 所處地域太陽能資源的限制

我國大部分地區年日照時數大于2 000 h，年平均輻射量在5 000 MJ/m2以上，太陽能資源豐富，此類地區尤其適合發展家庭光伏產業。但仍存在部分地區由于太陽輻射資源的原因，家庭光伏產業發展受限。對于太陽資源條件較差的區域，建設家庭光伏發電系統的利用價值較低，因此限制了光伏發電技術在全國范圍內的普及。

5.2 受物理空間的限制

首先，建設家庭光伏電站對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，本文中的案例裝機量7 kW需要約70 m2，且對安裝角度有一定限制，較為適合在屋頂安裝，而我國屋頂屬業主共有，這點與國外有很大不同，國外大部分房屋是小別墅，屋頂產權清晰，安裝方便，而我國城市居民樓多為高樓，屋頂資源與電力用戶資源嚴重不匹配，難以實現家家戶戶安裝光伏電站。

5.3 經濟效益依賴補貼，收益結算滯后

光伏發電項目按照國家有關政策給予發電業主補貼，除國家補貼外，部分地方政府也有相應的補貼支持，而部分地區無地方性補貼，居民受益難以確保，導致光伏推廣速度緩慢。更有部分地區存在補貼發放不及時，發放周期較長的情況，造成用戶資金壓力。此外，國家逐年下調光伏發電補貼標準，一些地方性補貼也逐漸消失取消，補貼下降速度遠超預期，用戶收益下降，支持光伏產業的熱情減退。

5.4 光伏行業準入機制欠完善，質量難以保證

我國光伏市場起步不久，有光伏行業品牌企業進入，也有許多專業實力弱的企業進入，出現了信用資質、產品品質、售后服務等方面參差不齊，部分經銷商、代理商、集成安裝商以次充好，安裝操作不規范，利用民居對光伏產品安裝和售后服務缺乏了解，用低價吸引居民的情況，質量難以保證，造成一定安全隱患，且系統效率大大降低。

6 結語

雖然家庭光伏發電的發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展道路都不會是一帆風順，推廣家庭光伏發電業一定也會是一條艱辛曲折的道路。從全國范圍內光伏裝機容量逐年攀升的數據來看，家庭光伏發電應用將會越來越廣泛這是毋容置疑的。目前我們已經從不知到認知，并從發展應用中發現了問題進而研發解決問題，相信家庭光伏發電未來的市場仍然很廣闊，光伏產品會越來越多地嵌入屋面瓦，玻璃幕墻、門窗等功能性傳統建筑材料里，光伏產業之路會越走越寬。