戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析

肖友鵬

（江西科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析

肖友鵬

（江西科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

為解決家庭日常電力需求，設(shè)計一個戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)家庭全年各月用電量和當?shù)氐乩須夂驐l件，闡述光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計步驟，并對系統(tǒng)進行全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析和環(huán)境效益分析。LLC分析表明戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)在進一步減低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本特別是初期購買價格下降和發(fā)電效率提升的基礎(chǔ)上是非常適合長期投資的。環(huán)境效益分析表明光伏發(fā)電技術(shù)在降低污染物排放和增加環(huán)境效益方面表明突出，在環(huán)境污染日益嚴重和人們對環(huán)境問題日益重視的今天，光伏發(fā)電技術(shù)將有更大的作為。

光伏發(fā)電；全壽命周期成本；經(jīng)濟性；環(huán)境效益

0 引言

隨著化石能源儲量減少和石油價格的連續(xù)波動，可再生能源越來越受到人們的關(guān)注。太陽能光伏技術(shù)是一種充滿希望的可再生能源技術(shù)，也是正在開發(fā)利用的新能源技術(shù)。這項吸引人的技術(shù)可以應(yīng)用在任何有陽光的地方，綠色無污染，長期來說能夠降低對環(huán)境的影響，經(jīng)濟可靠。

光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體。單體光伏電池功率較小，需要連接在一起組成更大的單元也就是光伏組件；將光伏組件連接成更大的單元稱之為光伏方陣。光照光伏方陣產(chǎn)生電能，如果需要將電能儲存，則需要一組蓄電池；為防止蓄電池過充電和過放電，需要充電控制器；將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，需要逆變器完成?？刂破鬟€能監(jiān)控從光伏方陣注入到逆變器的電量，圖1為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖[1]。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

對于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏方陣、蓄電池和逆變器的容量設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要組成部分，這需要知道當?shù)氐乩須夂驐l件和家庭日常用電情況、光伏組件制造數(shù)據(jù)、逆變器和蓄電池的工作效率，甚至要考慮光伏方陣發(fā)電量和儲能蓄電池容量之間的關(guān)系，進而決定光伏方陣和蓄電池的最優(yōu)組合[2]。

1 地理氣象參數(shù)

為了預(yù)測光伏系統(tǒng)的性能，必須收集當?shù)氐臍庀蠛铜h(huán)境數(shù)據(jù)。設(shè)計的項目地點選在上海，上海緯度為31.17°，南向布置的光伏方陣最佳傾斜角為27°，每個月入射到傾斜面上日均太陽能輻射數(shù)據(jù)如表1[3]。

表1 最佳傾斜角上月平均日輻射量

2 用電需求

上海地區(qū)典型家庭負載包括電燈、電視機、電腦、洗衣機、冰箱和空調(diào)，每天負載數(shù)據(jù)如表2。同時假設(shè)負載在一年中每天用電情況相同，與之相對應(yīng)的每天用電負荷曲線如圖2。從表中可以計算出家庭負載功率為3100 W，日均用電量QL約14.5 kWh/d。

表2 負載用電數(shù)據(jù)

圖2 用電負荷曲線

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 光伏方陣的設(shè)計

在標準測試條件下條件下（溫度為25℃，峰值太陽能輻射PSI為1000 W/m2）光伏方陣的峰值功率Pm可以由式（1）求得[4]：

式中QL為日均用電量；Gav（average solar energy input per day）為傾斜面上全年平均的日均輻射量，由表1可知其值為3.819kWh/(m2·d)；TCF（temperature correction factor）為溫度校正因子，光伏電池溫度達到45℃時，TCF取值為0.9[5]；輸出效率ηout為ηB（蓄電池效率）和ηInv（逆變器效率）的乘積，一般ηout=0.85×0.9=0.765。將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可得光伏方陣日均峰值功率Pm為5515 WP。

3.2 蓄電池組的設(shè)計

蓄電池的儲能容量可以由式（2）求得[5]：

式中D為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，取5 d；DOD（maximum permissible depth ofdischargeofthe battery）為蓄電池最大放電深度，取0.8。將數(shù)據(jù)代入式（2）可得蓄電池的容量為118.464 kWh。選擇DC端電壓為48 V，則用安時數(shù)表示的蓄電池容量為2468 Ah。

3.3 控制器的設(shè)計

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器的基本功能是保護光伏方陣對蓄電池過充電或蓄電池對負載過放電。充電控制是必不可少的，因為負載用電是很難預(yù)測的?？刂破鲬?yīng)該保證蓄電池安全充電并且維持更長的壽命。控制器設(shè)計的原則是要與光伏方陣的電流相兼容，因此選擇電流為115 A的控制器以維持48 V的DC端電壓。

3.4 逆變器的設(shè)計

逆變器的功率必須大于AC負載最大預(yù)期功率，因此選擇時必須比總AC負載額定功率高20%，因此選擇逆變器的規(guī)格為3720 W、48 VDC、50 Hz。

4 經(jīng)濟性分析

設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)用LCC進行經(jīng)濟性分析。LCC包括系統(tǒng)自身成本和整個壽命期內(nèi)偶生成本的總和折算到投資初始期的現(xiàn)值（Present Worth，PW）[6]。系統(tǒng)自身成本包括購買成本、運行成本、維護成本和替換成本。系統(tǒng)初始購買成本（現(xiàn)金成本）是比較高的，但沒有燃料成本，系統(tǒng)維護成本和替換成本（主要是蓄電池）也較低。因此光伏系統(tǒng)LCC包括光伏組件、蓄電池、控制器、逆變器等成本的現(xiàn)值，以及安裝、維護和運行成本的現(xiàn)值。各項成本數(shù)據(jù)的細節(jié)如表3[7]。

表3 各項成本數(shù)據(jù)

除了蓄電池的壽命假定為5年外，系統(tǒng)其余部分的壽命n假定為25年。因此，在5年、15年、20年之后需要再次購買蓄電池。假設(shè)膨脹率i為，折現(xiàn)率或利率為d。因此，各項的現(xiàn)值可以計算為：

光伏方陣成本CPV=4.5×5515=24818￥

蓄電池第一次購買成本CB=6×2468=14808￥

替換蓄電池時再次購買的成本的現(xiàn)值為[8-10]：

因此5年之后（n=5）再次購買的蓄電池成本的現(xiàn)值為10659￥，10年之后（n=10）再次購買的蓄電池成本的現(xiàn)值為7673￥，15年之后（n=15）再次購買的蓄電池成本的現(xiàn)值為5523￥，20年之后（n=20）再次購買的蓄電池成本的現(xiàn)值為3975￥。

控制器的成本CC=12×115=1380￥

逆變器的成本CInv=1×3720=3720￥

安裝成本 CIsnt=0.1×24818=2482￥

維護成本的現(xiàn)值[8-10]：

式中α為每年維護成本，n=25，可以算的CMPW=5342￥。

因此，系統(tǒng)的LCC

系統(tǒng)每年的LCC即ALCC可以由式（5）[8-10]計算為6340￥。

一旦知道了ALCC，可由式（6）計算每度電（1 kWh）的成本為1.2￥。

5 環(huán)境效益分析

當前我國電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主，發(fā)電過程中向環(huán)境排放大量的CO2、SO2、NOx和煙塵，引起環(huán)境污染，引發(fā)溫室效應(yīng)。光伏發(fā)電不需要燃燒化石能源，不排放污染物，綠色環(huán)保?；鹆Πl(fā)電耗煤345 g/kWh[11]，與之對照本戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)可節(jié)約標準煤45.65 t。表4為燃燒1 t標準煤的污染物排放量及其所對應(yīng)的環(huán)境成本[12]。

表4 單位污染物排放量和環(huán)境成本

表5則是采用光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放量和環(huán)境效益，即減少污染物排放量所減少的環(huán)境成本?？梢钥闯?，在全壽命周期內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放總量為124 t，折算成單位排放量為22.5 Kg/WP，產(chǎn)生的環(huán)境效益為18683￥，折算成單位環(huán)境效益為3.4￥/WP。

表5 污染物減排量和環(huán)境效益

6 結(jié)論

為上海地區(qū)普通家庭設(shè)計了一個獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計步驟，并對系統(tǒng)進行LCC分析和環(huán)境效益分析。分析表明戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)每度電（1kWh）的成本為1.2￥，高于當前居民用電價格，不過相較前期已經(jīng)下降很多。在進一步減低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本特別是初期購買價格下降和發(fā)電效率提升的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生清潔能源的光伏發(fā)電技術(shù)是非常適合長期投資的。在全壽命周期內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)所減少的污染物排放總量為124 t，折算成單位排放量為22.5 Kg/WP；產(chǎn)生的環(huán)境效益為18683￥，折算成單位環(huán)境效益為3.4￥/WP。在環(huán)境污染日益嚴重和人們對環(huán)境問題日益重視的今天，光伏發(fā)電技術(shù)將有更大的作為。

[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]楊金煥,毛家俊,陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,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]張鳴,蔡亮,虞維平.BIPV系統(tǒng)經(jīng)濟性分析[J].應(yīng)用能源技術(shù),2007(11):1-4.

[12]孫可.幾種類型發(fā)電公司環(huán)境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(3):23-26.

（責(zé)任編輯：陳 輝）

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

肖友鵬（1979-），男，江西萍鄉(xiāng)人，江西科技學(xué)院，碩士。研究方向：新能源材料與新能源發(fā)電。