户用分布式光伏发电系统设计研究

胡军英，江民华，熊明辉，余修彬

(新余学院 新能源科学与工程学院，江西 新余 338000)

1 引言

随着经济社会的快速发展，人们的生活水平在不断提高，导致人们用电的需求也逐年增加。传统的电能主要是通过化石能源的转化而产生的，但是化石能源属于不可再生能源，而且其广泛应用给生态环境造成了极大的威胁，不利于经济社会的可持续发展[1]。因此，清洁的可再生能源的开发与利用受到广泛关注。

众所周知，太阳能是近年来发展迅猛的可再生能源，它是人类可以自由利用且最丰富的清洁能源。世界上很多国家都将太阳能产业列为战略性新兴产业，在产品研发、技术升级改造等方面都取得了长足进步，发展潜力巨大。在太阳能各种利用技术中，太阳能光伏发电技术是近年来发展起来的将太阳能直接转化成电能的新型太阳能利用技术。光伏发电不仅可以减少化石能源的使用，而且可以减少CO2和有害气体的排放，有效改善生态环境的恶化。因此大力发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与环境问题的有效途径之一。

近年来，光伏发电中的分布式发电受到人们的广泛关注。分布式光伏发电主要指在用电侧就地建设，以满足用户自用为主、多余电量并网为辅的发电设施。因此，具有就近利用、分散布局、因地制宜等特点。另外，与大型地面电站相比，还具有占地面积小、对电网依赖小、使用安全等优点，因此分布式光伏发电被认为是未来光伏产业发展的新方向[2]。

户用分布式光伏系统是一种主要以满足家庭用电的太阳能光伏发电系统的简称。一般而言，一个户用分布式光伏发电项目的装机容量在几瓦到十几瓦不等。它的规模可大可小，在发电过程中不会排放污染物质，具有安装方便，没有噪音，整个寿命期间几乎无需维护等优点[3]。户用分布式光伏系统在居民生活中可与智能家居进行有机的结合，利用对电能管理系统的综合分析，合理地平衡调控家庭用电系统、光伏发电系统和电网系统，提高用电效率，节约用电成本[4]。因此，户用分布式光伏系统的安装建设能够在一定程度上缓解当地的用电紧张状况，为家庭提供一个新的供电渠道[5]。从长远来看，还可以有较为可观的经济收益[6]。

由于投资者和科研人员对大型光伏电站的设计研究较多，而对这种小容量的分布式光伏系统的设计关注较少，导致用户在做安装光伏发电系统的决策时比较迷茫。本文针对某一具体用户，为其设计屋顶分布式光伏发电系统建设方案，可为户用分布式光伏系统的建设提供模板，也可为用户研判投资建设光伏发电系统提供一定的参考，以促进户用分布式光伏电站产业的健康发展。

2 发电系统设计

2.1 设计内容

户用分布式光伏发电系统主要是对安装场地的选择、光伏阵列朝向和倾角、前后间距等因素的设计。光伏发电系统分为独立发电系统和并网发电系统两大类。户用分布式光伏系统主要采用并网发电系统，便于余电上网，其主要包括光伏组件、逆变器、控制器、数据采集器、防雷接地系统等几大部分组成[7]。因此，对这些设备的选型和优化也是重要的设计内容之一。

(1)安装地点。一般可选择在自家屋顶或空地上，考虑因素包括可使用面积、房屋结构、承重要求、地面基础情况和气象水文条件等。

(2)光伏组件及其他设备的选型。目前技术比较成熟且性能比较稳定的光伏组件主要是单晶硅和多晶硅这两种类型。前者的单体光电转换效率相对较高，但是建设成本也相对较高，经济效益并不明显。多晶硅光伏组件的单体光电转换效率相对单晶要稍低一些，但其生产成本优势比较显著，所以综合经济效益更为可观，因此得到大量使用。其他设备，如逆变器、控制器、数据采集器，根据装机容量和用户需要进行筛选。

(3)光伏阵列朝向和倾角计算。户用分布式光伏系统采用固定的光伏方阵从成本上较为经济。根据安装地点的气象数据，计算出不同倾斜面的太阳辐射量，优化出太阳能光伏阵列最佳安装倾角[8]。

(4)太阳电池方阵间距计算

当组件不是直接安装在房屋的“人字”屋顶时，而是安装在平面屋顶时，要计算太阳能电池组件方阵前后的最小间距，以防遮挡。一般确定间距的原则是冬至的早上九时至下午三时前后的方阵不被遮挡。其间距的具体数据按照有关数学模型来计算[9]。

2.2 设计参数

本文所设计的电站为分布式屋顶光伏发电系统，地点在江西省都昌县某村，地理坐标为：东经116.2度和北纬29.4度，海拔14米。利用气象数据软件Meteonorm 7.0可查得项目的详细气候数据(表1)。为保障家庭用电量的需求，拟设计一个装机容量为6.24 KW的户用分布式光伏系统。根据表1查得的信息，利用PVsyst模拟软件先进行初步模拟，其输出结果报告单包含本项目的各项参数，包括方阵的倾斜角、方阵之间的间距、方阵所需要的面积、倾斜面上辐射量等信息(表2)。

表1 项目所在地的气候信息

表2 PVsyst模拟的输出结果

根据模拟结果，进一步核算和优化各部分物料清单，主要包括直流部分，交流部分和支撑结构部分等3个方面(表3)，其他小零件省略。整个发电系统的电气主结构见图1。

表3 主要物料清单

图1 户用分布式光伏系统电气主结构

(1)太阳能电池板

根据6.24 KW的装机容量的要求，本系统选用24块功率为260 Wp的某品牌太阳能电池板，其具体参数如表4所示。

表4 太阳能电池板具体信息

(2)并网微型逆变器

微型逆变器是直接将太阳能组件发出来的直流电转化为交流电的设备[10]，安装在太阳能组件下面。该微型逆变器具有最大功率点追踪(Maximum power point tracking)功能，可以很好的跟踪太阳光强度的变化而控制不同的输出功率，有效地捕捉与收集阳光。该逆变器采用了优先将电力传输供给负载的技术，多余电量再向电网传输。

(3)数据采集器

监控系统采用分布式结构。PC端采用无线wifi方式/RS232串口对数据进行采集，可实时控制逆变器的开关，调整功率。数据采集器采用电力线载波信号采集微型逆变器的实时数据，传输到PC/手机等设备，对发电数据进行管理。它是逆变器及PC间的通讯桥梁[11]。

(4)滤波器

滤波器的功能是有效地过滤区域之间的杂乱信号，排除电力线信号相互之间的干扰。选用的通讯型滤波器可以计算通过滤波器的功率，以无线wifi的方式传送到PC端进行监控管理。

3 项目施工与维护

3.1 项目施工

(1)本项目在居民平面屋顶上进行安装，因此需要在屋顶上做好水泥墩，并固定好支架。太阳能组件安装时要紧密平行排列，一方面是充分利用建筑面积，另一方面是避免夹缝中掉入杂物，难以清除(组件方阵个体结构图见图2)。(2)微型逆变器及组件之间的串联连接线需要固定在导轨上，在接入交流汇流箱的过程中，需将线缆穿入PVC线管中，避免直接暴露在外，可延长使用寿命。(3)为了消除雷雨天气给发电系统带来的安全隐患，防止直接雷击对光电场和配电室等系统器件的损坏，需要对发电系统安装防雷与接地装置。(4)发电系统安装完成后，要对发电系统进行测试。一方面测试各部分连接情况，确保各个组件正常运行和消除孤岛效应；另一方面测试发电的稳定性，确保符合国家标准。整个系统发电稳定后，通过国家电力部门审核后就可以顺利并网。整个项目平面图及安装效果图见图3。

图2 组件方阵个体结构图

图3 项目平面图及安装效果图

3.2 项目维护

本系统为太阳能微逆变并网发电系统，具备模块化安装、零维护、低压安全、发电效率高、使用寿命长等特点。所选用的组件和系统设备符合国家标准，对电网安全无危害，在建成发电后无需维护，使用电脑远程监控设备运行状态，实现自动无故障运行。即使某组件出现损坏，只需要更换该组件即可，无需停止整个系统的运行，整个操作过程安全可靠，对维护人员无安全威胁。

4 效益分析

4.1 经济效益

(1)投资成本计算

本系统为装机容量为6.24 KW的户用分布式光伏发电系统。根据2020年江西瑞安(瑞晶太阳能科技)有限公司的户用平面屋顶分布式光伏发电系统建设成本报价，约为3.2元/W，所以本项目的投资成本(Cost，计为C)约为：

C=Pm×3.2=19968元

(2)年平均发电量计算

按照峰值标准小时数计算方法[12]，即g=Pm×h1×y×

其中：g：日均发电量；

1.2 农村地区信息贫困的归因研究 何隽等[15]对贵州农村信息贫困调查研究，赵奇钊等[11]对武陵山片区信息化发展水平评价与信息贫困研究，张孟嘉[16]对安徽农村信息环境调研及分析，孙贵珍等[17]对河北城乡信息化相关因素比较研究，李玉华[18]对吉林省农村信息贫困因素分析，唐乐融[19]和李钢等[9]分别对河南省鹤壁市淇滨区、洛宁县和栾川县农村信息状况进行调查报告，通过对上述文献进行归纳总结，发现这些研究者都将信息贫困与我国的农村地区联系起来研究，重点研究农民这一信息贫困群体，他们归结出信息贫困主要有以下形成原因。

Pm：光伏组件总功率，即Pm=6.24 KW；

h1：峰值日照时数，根据h1=(组建倾斜面上的年辐射量/1KW/m2)/365天，所以，h1=(1315 KWh/m2/1 KW/m2)/365 d=3.6 h/d；

y：转换系数(即倾斜面与平面的辐射量比值=1.05～1.15，本设计取值为1.1)；

综合以上数据可得本系统每天发电量g：

g=Pm×h1×y×=6.24 KW×3.6 h/d×1.1×0.54=13.34 KWh/d

由此可推算出一年的总发电量：

W=Pm×D=13.34 KWh/d×365 d=4870 KWh

(3)回报周期计算

根据国家发展改革委员会《关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知》(发改价格〔2020〕号)，户用分布式光伏电站按照0.08元/kWh的度电补贴。如果发电总量全部自用，则收益包括两部分：一是国家每度电补贴0.08元，每年补贴收益(Subsidy)为4870×0.08=389.6元；二是节省下来的自用电费收益(electricity fee)为4870×0.6=2922元(此处按目前的基本电费0.6元/度计算，如果按照阶梯电价，该项收益更高)。则回收周期(Return on Investment)计为RI1，可根据下列(式1)进行计算。

如果总发电的一半电量自用，另一半上网来计算收益(自用比例越高收益越高)。所以，其收益包括三部分：一是国家每度电补贴389.6元；二是节省下来的自用电费收益(electricity fee)为4870×0.5×0.6=1461元；三是销售给国家电网(Grid)的收益为4870×0.5×0.42=1022.7元(此处按2020年的标准0.42元/度的售价计算)。则回收周期(Return on Investment)计为RI2，可根据下列(式2)进行计算。

(式1)

(式2)

其中：RI：回收周期(Return on Investment)；C：项目的投资成本(Cost)；S：每年补贴收益(Subsidy)；F：每年自用电费收益(electricity fee)；G：销售给国家电网的收益(Grid)

根据以上投资成本、发电量和回报周期的计算，RI1约为6.02年，RI2约为6.95年，即本系统只需要6～7年就可以收回成本。另外，本项目使用微逆变发电技术可以有效地保护太阳能电池板免遭热斑效应的损害，有效地降低太阳能电池的效率衰减和延长太阳能电池的使用寿命，所以经济效益更加显著。

4.2 环境效益

光伏发电是可再生的清洁能源，不会直接消耗资源，也无任何有毒有害或温室气体排放，对自然环境无任何影响。根据国际能源署《世界能源展望 2007》，CO2排放指数为0.814 kg/KWh。我国火电厂每发电上网1度电，需消耗标准煤 305 g，排放6.2 g的硫氧化物(SOx)和2.1 g的氮氧化物(NOx)，对生态环境造成不利的影响。该光伏发电系统按以上数据来计算，其年发电量为4870 KWh，和火力发电相比，每年可以节省标准煤约为1.5吨，每年可减少温室气体CO2排放4吨，大气污染气体SO2和NOx约分别减少30 kg和10 kg的排放。此外，还能节约用地和节约用水，减少其它发电方式产生的废水。由此可见，该屋顶光伏发电系统具有很好的环境效益。

由于本发电系统安装在建筑物的屋顶上，具有良好的吸热和遮阳效果，冬天对建筑物有一层保温措施，夏天起一定的隔热效果。这也在一定程度上降低室内的能耗，间接起到节能减排的效果。

5 结语

本文以江西省都昌县的某村居民屋顶为项目安装地址。依据当地气候条件，利用PVsyst软件进行初步辅助设计，再对系统的主要设备进行具体选型和优化，设计了一套适合户用分布式光伏发电系统的建设方案。该发电系统选用了多晶高效太阳能电池组件作为发电设备，其他设备按照并网系统的要求进行配置。本发电系统设计装机容量为6.24 KW，完全能够满足一个普通农村家庭对用电量的需求。另外，该项目一次性投资建成后可以远程监控运行状态，无需维护成本。根据经济效益计算分析，本文设计的发电系统回报周期约6～7年，而使用寿命可达25年以上，即用户可以免费获利近20年，具有很高的投资回报。另外，相对火力电站，减少了温室气体、有毒有害气体排放，具有很好的环境效益。

在分布式光伏电站推广初期，国家对光伏发电产业非常重视，国家和地方政府都相继出台了一系列的补贴政策以促进光伏产业的发展。近几年，由于光伏技术和市场不断成熟，电站建设成本显著下降，国家和地方的建设补贴在逐年减少，但经济效益还是非常可观。目前，随着人们环保节能意识的提高，我国的分布式光伏应用市场发展较为迅速，户用光伏发电系统正在逐步走进千家万户。但目前我国的户用分布式光伏发电系统无论在技术上还是在使用比例上和国外相比还有一定差距，主要表现为技术水平不高，首次投资金额较大[13]，老百姓对此的认识和接受度不高。目前我国户用分布式光伏发电量在居民用电总量中的占比偏低。因此，我国还必须不断加快产业发展，使太阳能光伏产业成为能源产业中的支柱产业。