家用小型光伏發電系統設計

(西昌學院 四川 西昌 615000)

一、引言

為了有效的緩解能源危機以及所引發的環境問題，人們越來越認識到發展清潔可再生能源的重要性。光伏發電技術是太陽能發電的方式之一[1]，光伏發電是一種將太陽能轉換為電能的裝置，其優勢：第一安全清潔，取之不凈用之不竭；第二可安置在空閑的陽光充足地域，不影響人們的日常生活；第三大量的使用可以減輕電網壓力；第四太陽能電池板安裝完成即可發電，成本低且易于維護[2]。在農村、部分偏遠地區的空閑地方以及城市樓房屋頂大力發展光伏發電裝置對經濟、環境保護都是意義十分重大的。

二、設計選址

本設計選擇了一個位于美國新墨西哥州的名為克萊頓的小城市(新墨西哥州聯合縣克萊頓，郵編88415)，克萊頓城市2014年每月的太陽輻射數據如下表1所示：

表1 克萊頓城2017年太陽總輻射值 單位：kWh/m2/month

由上表可得年太陽輻射均值為163.36 kWh/m2/month。

三、光伏系統

(一)光伏發電

2014年，美國住宅用戶的平均年用電量為10932 kWh，平均每月為911 kWh。其中路易斯安那州的年耗電量最高，為每戶居民15497 kWh，夏威夷最低，為每戶居民6077 kWh。

假設選擇的居民每年消耗12000kWh，以及光伏提供的10%的能源。則每年的光伏發電量為PPV=12000*10%=1200KWh。

(二)太陽能電池板型號

本設計選擇了兩種不同的太陽能電池板：SolarWorld SW27黑色單體太陽能電池板和Topoint JTM190-72M銀色單體太陽能電池板。兩種光伏板的部分參數規格如下表2所示。

表2 光伏板部分規格

其中SW27的模塊尺寸為156mm×156mm，JTM190-72M的模塊尺寸為125mm×125mm。一塊光伏板由60個模塊構成。

(三)光伏板數量

假設光伏板每天發電10小時，每天的耗電量相同。因此，每個月光伏發電量為PPV=1200/12=100KWh/month。

光伏板面積(m2)：A= PPV/(GHI*模塊效率)；光伏板數量：n=A/Apannel。

計算可得，使用5塊 SW270型PV板或7塊JTM190-72M型PV板即可滿足設計需求。

(四)光伏板年發電量

SW270光伏陣列實際的能量為2513.7kWh/year，JTM190-72M光伏陣列實際的能量為2491.3kWh/year。

(五)光伏系統成本

光伏系統由光伏陣列、控制器、電池、逆變器和監控軟件組成。光伏陣列和控制器將與光伏板一起提供。因此，應該計算成本的四個部分：光伏電池板成本(PPC)、蓄電池成本(BC)、逆變器成本(IC)和軟件成本(SC)[3]。

1.SW270型PV板的光伏板成本為MYM1450，JTM190-72M型PV板光伏板成本為MYM1330。

2.太陽能電池板能產生的最大能量是10kWh/day。本設計為每個光伏板選擇了一個成本為MYM130的鉛酸蓄電池。

3.根據兩種型號太陽能電池板的額定功率，選擇了一個1500W的逆變器，成本為MYM186。

4.本設計選擇光伏監測和控制的優秀軟件Sun Sentry Monitoring，成本為MYM79。

5.資本成本為光伏電池板、蓄電池、逆變器和軟件的成本之和，所以SW270型號的光伏系統成本為MYM1845;TM190-72M型號的光伏系統成本為MYM1725。

6.年度資本成本ACC=CC*CRF，這里CRF=0.174，所以SW270的年度資本成本為MYM321.03;JTM190-72M的年度資本成本為MYM300.15。

7.因為運行維護成本O&M = MYM0.007 * 年發電量，所以SW270運行維護成本為MYM17.59；JTM190-72M運行維護成本為MYM17.44。

8.年平均化能源水平 LCOE=(ACC+O&M)/PPV[3]，所以LCOE(SW270)=0.135MYM/KWh；LCOE(JTM190-72M)=0.127MYM/KWh。

通過以上計算可以得知Topoint JTM190-72M的年平均化能源水平小于SolarWorld SW270。所以本設計會選擇7塊Topoint JTM190-72M太陽能電池板組成本設計的光伏系統。

四、總結

傳統的發電技術是靠化石能源燃燒轉化為電能，在提供電能的同時會排放大量溫室氣體。已知燃煤的發電效率約為63.5%。那么本設計中若使用5塊SolarWorld SW270 PV 板，每年可以發電 2513.7kWh，一年可以節約燃0.635*2513.7=1596.2kg；若使用7塊Topoint JTM190-72M PV板每年可以發電2491.3kWh，每年可以節約燃煤0.635*2491.3=1582.0kg[3]。