光伏發電系統在苦竹坪村的應用研究

王紫葉，劉映彤，張曉瑀，彭雙梅

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北，宜昌 443002；2.三峽大學 計算機與信息學院，湖北，宜昌 443002)

0 引 言

近年來，為響應環保理念加大清潔能源的使用比例，我國光伏產業發展迅速，光伏發電系統日趨完善，相關科研技術與設備性能也逐步提高[1-3]。2016年，我國發布《關于實施光伏發電扶貧工作意見》，為光伏農業與扶貧相結合提供了政策保障，因而如何將光伏農業更好的應用到貧困地區成為扶貧工作中的一個重要問題[4-5]。

關于光伏發電方案的設計和應用，國內外學者針對不同地區的地形和氣候特點設計了不同的光伏發電系統。文獻[6]針對圖書館空閑屋頂設計了一套運用多晶硅太陽組件、10 kW組串式逆變器等組件的光伏發電系統。文獻[7]設計了應用于東莞市的10.6 kW分布式光伏發電系統，其中同樣對系統的組件進行了細致的選擇，并且采用分布式的系統。文獻[8]闡述了光伏發電系統在不同建筑方面的應用，如建筑外墻體、建筑屋頂、建筑天窗。以上的光伏發電系統均針對屋頂式、天窗式、墻外式光伏發電，而未涉及到光伏農業發電系統。

在此背景下，本文針對宜昌市五峰縣苦竹坪村的地形和氣候條件，設計了一套最優的光伏發電系統，建立了光伏發電系統效益計算模型，預測并計算出當地的光伏發電量及經濟效益。

1 苦竹坪村光伏發電系統設計

1.1 苦竹坪村光伏發電系統概述

苦竹坪村屬喀斯特地貌，亞熱帶氣候，人口密度低，人均用電量少，正好適合發展光伏產業。目前苦竹坪村沒有建立光伏發電系統，并且有較為廣闊的可利用面積，因此擬在苦竹坪村已建成的約1 000 m2蘑菇大棚上進行光伏發電系統的設計與研究。

由于苦竹坪村人口居住分散且較為偏遠，光伏發電系統的建立采用戶用分布式光伏發電，其技術形式相對簡單且易于實施，在發電過程中噪聲小且污染較少,同時能夠降低遠距離輸送電能的損耗。其產生的光伏電能不僅能滿足村民的用電需求，還能將多余電量并入電網，產生經濟效益。

1.2 光伏發電系統設計

光伏發電系統中的太陽能電池將光能轉變為電能，通過光伏專用線將產生的直流電輸入逆變器,逆變器再將直流電轉化成符合電網要求的交流電后接入配電網。系統產生的電能一部分被附近建筑物中負荷消納，其余的電能送入電網。如果系統產生的電能不足以供給負載時，電網將向交流負載供電。

根據此光伏發電的原理，同時綜合考慮苦竹坪村的地形、氣候條件及經濟效益等因素，設計的光伏發電系統如圖1。

光伏系統的設計需要考慮太陽電池板及逆變器組件的選擇，同時還需考慮組件的安裝方式和并網方案。此方案中選用光電轉換率高、電能消耗少、性價比高的多晶硅太陽能電池，選用更易維護、發電效率高的微型逆變器。在組件的安裝方面，由于苦竹坪村將形成蘑菇與光伏發電結合的產業趨勢，光伏電池板將安裝在大棚上，因而選用成本低、無需外加智能設備的大棚外加裝太陽能組件的安裝方式。其安裝方式如圖2。

圖1 光伏發電系統示意圖

圖2 塑料大棚外加裝太陽能組件效果圖

此方案中將太陽能電池板安裝在大棚頂部，裝機容量為5.2 kWp，采用60塊(6行5列)260 Wp多晶硅光伏組件，使用6臺1 kW微型逆變器，逆變器輸出電壓為三相交流400 W。每10塊多晶硅光伏組件為一串，串1臺1 kW微型逆變器，然后通過6匯1的交流匯流箱進行匯流后，送入升壓變壓器的低壓側，經箱變升壓器至10 kV后接至光伏電站10 kV開關站。最后經10 kV架空線路送至距大棚最近的35 kV變電站10 kV側。

2 苦竹坪村光伏發電量計算及效益預估

2.1 光伏發電系統發電量的計算

光伏系統中各光伏組件效率的不同會使系統效率不同，影響系統效率的因素包括光伏陣列的效率、逆變器的轉換效率和交流并網效率。光伏發電系統的效率公式為:

η=η1η2η3

(1)

式中，η為光伏發電系統效率；η1為光伏陣列效率；η2為逆變器的轉換效率；η3為交流并網效率。

光伏發電系統發電量：

qi=wηt

(2)

式中，qi為第i月光伏發電系統發電量；w為項目裝機容量；η為光伏發電系統效率；t為傾斜面年峰值日照小時數。

通過NASA數據庫得到平均每月峰值日照小時數，傾斜面年峰值日照小時數可由每月峰值日照小時數累加得到。由此估算苦竹坪村居民光伏發電系統各月發電量,如圖3所示。

苦竹坪村光伏系統發電量在1、2、11、12月時光伏系統發電量少，此時苦竹坪村正處于冬季，日照時間較少。7月份發電量達到峰值，苦竹坪村正處于夏季，日照充足。6月份發電量減少，此時苦竹坪村處于梅雨季節，因而有小的波動。通過上述分析，處在亞熱帶地區的苦竹坪村各月光伏發電量與當地每月天氣緊密相關。若苦竹坪村不發生大的災害，其光伏系統在冬季的發電量也能滿足當地居民日常生活。

圖3 苦竹坪村2017年光伏系統各月發電量

2.2 光伏發電收益估算

本項目安裝容量為5.2 kWp，按照宜昌市五峰土家族自治縣采花鄉苦竹坪村平均每月光伏發電系統的發電量、平均每月居民用電量、五峰地區電價、國家和地方補貼、光伏發電每年運行維護成本等估算本項目收益。

光伏發電每年運行維護所需費用為:

Sg=agwc

(3)

式中，Sg為光伏發電每年運行維護所需費用；ag為光伏發電運行維護率；w為光伏發電裝機容量；c為單位裝機容量的成本。

光伏發電每年損耗費用為：

(4)

式中，S1為光伏發電每年損耗費用；qgi為并網光伏月上網電量；qhi為并網光伏月自發自用電量；cg為政府補貼電價；ch為當地燃煤機組標桿上網電價；a1為年線損失率。

光伏發電的收入構成主要包括光伏發電年上網電量收入和政府每年電價補貼收入，還包括每年節省的電費收入。

光伏發電年上網電量收入為：

(5)

政府每年電價補貼收入為：

(6)

節省的每年電費收入為：

(7)

式中，Ce為節省的每年電費收入；ck為平均售電價格。

光伏發電總收入為：

(8)

2.3 光伏發電在苦竹坪村收益預估

苦竹坪村平均每戶居民有5.2 kWp的光伏系統安裝容量，以光伏設備壽命周期按 15 年考慮，光伏設備運維率為1%，線損失率為4%，根據湖北省物價局可得到當地燃煤機組標桿上網電價為0.4161元，政府補貼電價為0.96，平均售電價格為0.5。根據實地調研得到苦竹坪村平均每戶居民每月用電量如表1所示。

表1 2017年苦竹坪村平均每戶居民每月用電量

將以上參數代入計算,可得

(1)光伏發電系統的效率：

η=0.8184

(2)光伏發電每年運行維護所需費用為：

Sg=200.00

(3)光伏發電每年損耗費用為：

S1=221.76

(4)光伏發電年上網電量收入為：

Cb=1 326.60

(5)政府每年電價補貼收入為：

Cg=4 217.30

(6)節省的每年電費收入為：

Ce=602.50

綜上可得到苦竹坪村平均每戶居民一年的光伏收入可達5 724元。此數據以2017年平均每戶居民用電量和平均每月日照時間為例算得，由于未來十年平均每戶居民用電量和平均每月日照時間變化不大，可預測未來苦竹坪村平均每戶居民一年的光伏收入在5 700元左右。

4 結 論

(1)在光伏并網設計時考慮五峰縣苦竹坪村的地形和氣候因素，選用多晶硅太陽能電池作為光伏組件、微型逆變器、大棚外加裝太陽能組件的安裝方式。

(2)在每戶農民光伏發電面積約為120 m2、國家補貼苦竹坪村每度電為0.96元的前提下，初步可以估測苦竹坪村每戶居民每年光伏發電收益約為5 700元。

(3)隨著光伏產業在當地的不斷發展，光伏發電產生的利潤也會逐年上升。目前苦竹坪村居民每年人均可支配收入為7 828元，光伏產業無疑可為當地村民增加不少的收入，推動扶貧工作的進行。