户用光伏发电系统的经济性和环境效益分析

肖友鹏

（江西科技学院 机械工程学院，江西 南昌 330098）

户用光伏发电系统的经济性和环境效益分析

肖友鹏

（江西科技学院 机械工程学院，江西 南昌 330098）

为解决家庭日常电力需求，设计一个户用独立光伏发电系统。根据家庭全年各月用电量和当地地理气候条件，阐述光伏发电系统的设计步骤，并对系统进行全寿命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析和环境效益分析。LLC分析表明户用光伏发电系统在进一步减低光伏发电系统的成本特别是初期购买价格下降和发电效率提升的基础上是非常适合长期投资的。环境效益分析表明光伏发电技术在降低污染物排放和增加环境效益方面表明突出，在环境污染日益严重和人们对环境问题日益重视的今天，光伏发电技术将有更大的作为。

光伏发电；全寿命周期成本；经济性；环境效益

0 引言

随着化石能源储量减少和石油价格的连续波动，可再生能源越来越受到人们的关注。太阳能光伏技术是一种充满希望的可再生能源技术，也是正在开发利用的新能源技术。这项吸引人的技术可以应用在任何有阳光的地方，绿色无污染，长期来说能够降低对环境的影响，经济可靠。

光伏电池将太阳能转换为电能，是光伏发电系统的主体。单体光伏电池功率较小，需要连接在一起组成更大的单元也就是光伏组件；将光伏组件连接成更大的单元称之为光伏方阵。光照光伏方阵产生电能，如果需要将电能储存，则需要一组蓄电池；为防止蓄电池过充电和过放电，需要充电控制器；将直流电转换为交流电，需要逆变器完成。控制器还能监控从光伏方阵注入到逆变器的电量，图1为独立光伏发电系统示意图[1]。

图1 独立光伏发电系统

对于独立光伏发电系统，光伏方阵、蓄电池和逆变器的容量设计是系统设计的一个重要组成部分，这需要知道当地地理气候条件和家庭日常用电情况、光伏组件制造数据、逆变器和蓄电池的工作效率，甚至要考虑光伏方阵发电量和储能蓄电池容量之间的关系，进而决定光伏方阵和蓄电池的最优组合[2]。

1 地理气象参数

为了预测光伏系统的性能，必须收集当地的气象和环境数据。设计的项目地点选在上海，上海纬度为31.17°，南向布置的光伏方阵最佳倾斜角为27°，每个月入射到倾斜面上日均太阳能辐射数据如表1[3]。

表1 最佳倾斜角上月平均日辐射量

2 用电需求

上海地区典型家庭负载包括电灯、电视机、电脑、洗衣机、冰箱和空调，每天负载数据如表2。同时假设负载在一年中每天用电情况相同，与之相对应的每天用电负荷曲线如图2。从表中可以计算出家庭负载功率为3100 W，日均用电量QL约14.5 kWh/d。

表2 负载用电数据

图2 用电负荷曲线

3 光伏发电系统设计

3.1 光伏方阵的设计

在标准测试条件下条件下（温度为25℃，峰值太阳能辐射PSI为1000 W/m2）光伏方阵的峰值功率Pm可以由式（1）求得[4]：

式中QL为日均用电量；Gav（average solar energy input per day）为倾斜面上全年平均的日均辐射量，由表1可知其值为3.819kWh/(m2·d)；TCF（temperature correction factor）为温度校正因子，光伏电池温度达到45℃时，TCF取值为0.9[5]；输出效率ηout为ηB（蓄电池效率）和ηInv（逆变器效率）的乘积，一般ηout=0.85×0.9=0.765。将上述数据代入式（1）可得光伏方阵日均峰值功率Pm为5515 WP。

3.2 蓄电池组的设计

蓄电池的储能容量可以由式（2）求得[5]：

式中D为最长连续阴雨天数，取5 d；DOD（maximum permissible depth ofdischargeofthe battery）为蓄电池最大放电深度，取0.8。将数据代入式（2）可得蓄电池的容量为118.464 kWh。选择DC端电压为48 V，则用安时数表示的蓄电池容量为2468 Ah。

3.3 控制器的设计

独立光伏发电系统中控制器的基本功能是保护光伏方阵对蓄电池过充电或蓄电池对负载过放电。充电控制是必不可少的，因为负载用电是很难预测的。控制器应该保证蓄电池安全充电并且维持更长的寿命。控制器设计的原则是要与光伏方阵的电流相兼容，因此选择电流为115 A的控制器以维持48 V的DC端电压。

3.4 逆变器的设计

逆变器的功率必须大于AC负载最大预期功率，因此选择时必须比总AC负载额定功率高20%，因此选择逆变器的规格为3720 W、48 VDC、50 Hz。

4 经济性分析

设计的光伏发电系统用LCC进行经济性分析。LCC包括系统自身成本和整个寿命期内偶生成本的总和折算到投资初始期的现值（Present Worth，PW）[6]。系统自身成本包括购买成本、运行成本、维护成本和替换成本。系统初始购买成本（现金成本）是比较高的，但没有燃料成本，系统维护成本和替换成本（主要是蓄电池）也较低。因此光伏系统LCC包括光伏组件、蓄电池、控制器、逆变器等成本的现值，以及安装、维护和运行成本的现值。各项成本数据的细节如表3[7]。

表3 各项成本数据

除了蓄电池的寿命假定为5年外，系统其余部分的寿命n假定为25年。因此，在5年、15年、20年之后需要再次购买蓄电池。假设膨胀率i为，折现率或利率为d。因此，各项的现值可以计算为：

光伏方阵成本CPV=4.5×5515=24818¥

蓄电池第一次购买成本CB=6×2468=14808¥

替换蓄电池时再次购买的成本的现值为[8-10]：

因此5年之后（n=5）再次购买的蓄电池成本的现值为10659¥，10年之后（n=10）再次购买的蓄电池成本的现值为7673¥，15年之后（n=15）再次购买的蓄电池成本的现值为5523¥，20年之后（n=20）再次购买的蓄电池成本的现值为3975¥。

控制器的成本CC=12×115=1380¥

逆变器的成本CInv=1×3720=3720¥

安装成本 CIsnt=0.1×24818=2482¥

维护成本的现值[8-10]：

式中α为每年维护成本，n=25，可以算的CMPW=5342¥。

因此，系统的LCC

系统每年的LCC即ALCC可以由式（5）[8-10]计算为6340¥。

一旦知道了ALCC，可由式（6）计算每度电（1 kWh）的成本为1.2¥。

5 环境效益分析

当前我国电力生产结构以火力发电为主，发电过程中向环境排放大量的CO2、SO2、NOx和烟尘，引起环境污染，引发温室效应。光伏发电不需要燃烧化石能源，不排放污染物，绿色环保。火力发电耗煤345 g/kWh[11]，与之对照本户用光伏发电系统在全寿命周期内可节约标准煤45.65 t。表4为燃烧1 t标准煤的污染物排放量及其所对应的环境成本[12]。

表4 单位污染物排放量和环境成本

表5则是采用光伏发电系统所减少的污染物排放量和环境效益，即减少污染物排放量所减少的环境成本。可以看出，在全寿命周期内光伏发电系统所减少的污染物排放总量为124 t，折算成单位排放量为22.5 Kg/WP，产生的环境效益为18683¥，折算成单位环境效益为3.4¥/WP。

表5 污染物减排量和环境效益

6 结论

为上海地区普通家庭设计了一个独立光伏发电系统，介绍了光伏发电系统的设计步骤，并对系统进行LCC分析和环境效益分析。分析表明户用光伏发电系统每度电（1kWh）的成本为1.2¥，高于当前居民用电价格，不过相较前期已经下降很多。在进一步减低光伏发电系统的成本特别是初期购买价格下降和发电效率提升的基础上，产生清洁能源的光伏发电技术是非常适合长期投资的。在全寿命周期内光伏发电系统所减少的污染物排放总量为124 t，折算成单位排放量为22.5 Kg/WP；产生的环境效益为18683¥，折算成单位环境效益为3.4¥/WP。在环境污染日益严重和人们对环境问题日益重视的今天，光伏发电技术将有更大的作为。

[1]Ahmed T Ghareeb,Tarek A Youssef,Ahmed Mohamed,Osama A.Mohammed.Design and Control of Standalone PV System for Rural Residential Applications [C]//Fifth International Symposiym on Energy.Puerto Rico Energy Center-Laccei:Puerto Rico,2013:7-8

[2]R.Posadillo and R.Luque,Approaches for Developing a Sizing Method for Stand-Alone PV Systems with Variable Demand[J].Renewable Energy,2008,33(5):1037-1048.

[3]杨金焕,毛家俊,陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算[J].上海交通大学学报,2002,36(7):1032-1036.

[4]Mohan Kolhe.Techno-Economic Optimum Sizing of a Stand-Alone Solar Photovoltaic system[J].IEEE ansactions on Energy Conversion,2009,24(2):511-519.

[5]T.M.I.Alamsyah,K.Sopian and A.Shahrir,Techno-economics Analysis of a Photovoltaic System to Provide Electricity for a Household in Malaysia[C]//Proceedings of the International Symposium on Renewable Energy:Kuala Lumpur,2003:387-396.

[6]Celik.A.N.Present status of photovoltaic energy in turkey and life cycle techno-economic analysis of a grid-connected photovoltaic house[J].Renewable Sustainable Energy Reviews,2006,10(4):370-387.

[7]光伏行情中心[EB／OL],http://db.solarzoom.com/.

[8]Messenger R.,Ventre J.Photovoltaic Systems Engineering[M].CRC Press,USA,2000.

[9]P Arun,R Banerjee,S.Bandyopadhyay,Optimum sizing of photovoltaic battery systems incorporating uncertainty through design space approach[J].Solar Energy,2007,83(7):1013-1025.

[10]K.Bataineh and D.Dalalah,Optimal Configuration for Design of Stand-Alone PV System [J].Smart Grid and Renewable Energy,2012,3(2):139-147.

[11]张鸣,蔡亮,虞维平.BIPV系统经济性分析[J].应用能源技术,2007(11):1-4.

[12]孙可.几种类型发电公司环境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(3):23-26.

（责任编辑：陈 辉）

Economic and Environmental Analysis of a Stand-Alone PV System

XIAO You-peng
（Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China）

With an aim to meet the need of daily electricity,a design of a stand-alone photovoltaic power generating system is presented.According to the local geographic and climate conditions with the daily household load data,the design steps of the system are carried out and the life cycle cost(LLC)of system and environmental benefits are analyzed.LLC analysis shows that the system is very suitable for long-term investment due to further decrease the cost of the system especially the initial purchase price and improve of the conversion efficiency.Environmental benefits analysis show that photovoltaic technology can reduce emissions and bring environmental benefits.Since environmental pollution is becoming increasingly serious and more and more attentions are drawn to environmental problems,photovoltaic technology will have greater development.

photovoltaic power generation;life cycle cost;economics;environmental benefits

TM615

A

123（2014）03-0038-04

2014-05-09

肖友鹏（1979-），男，江西萍乡人，江西科技学院，硕士。研究方向：新能源材料与新能源发电。