光伏发电系统在苦竹坪村的应用研究

王紫叶，刘映彤，张晓瑀，彭双梅

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北，宜昌 443002；2.三峡大学 计算机与信息学院，湖北，宜昌 443002)

0 引 言

近年来，为响应环保理念加大清洁能源的使用比例，我国光伏产业发展迅速，光伏发电系统日趋完善，相关科研技术与设备性能也逐步提高[1-3]。2016年，我国发布《关于实施光伏发电扶贫工作意见》，为光伏农业与扶贫相结合提供了政策保障，因而如何将光伏农业更好的应用到贫困地区成为扶贫工作中的一个重要问题[4-5]。

关于光伏发电方案的设计和应用，国内外学者针对不同地区的地形和气候特点设计了不同的光伏发电系统。文献[6]针对图书馆空闲屋顶设计了一套运用多晶硅太阳组件、10 kW组串式逆变器等组件的光伏发电系统。文献[7]设计了应用于东莞市的10.6 kW分布式光伏发电系统，其中同样对系统的组件进行了细致的选择，并且采用分布式的系统。文献[8]阐述了光伏发电系统在不同建筑方面的应用，如建筑外墙体、建筑屋顶、建筑天窗。以上的光伏发电系统均针对屋顶式、天窗式、墙外式光伏发电，而未涉及到光伏农业发电系统。

在此背景下，本文针对宜昌市五峰县苦竹坪村的地形和气候条件，设计了一套最优的光伏发电系统，建立了光伏发电系统效益计算模型，预测并计算出当地的光伏发电量及经济效益。

1 苦竹坪村光伏发电系统设计

1.1 苦竹坪村光伏发电系统概述

苦竹坪村属喀斯特地貌，亚热带气候，人口密度低，人均用电量少，正好适合发展光伏产业。目前苦竹坪村没有建立光伏发电系统，并且有较为广阔的可利用面积，因此拟在苦竹坪村已建成的约1 000 m2蘑菇大棚上进行光伏发电系统的设计与研究。

由于苦竹坪村人口居住分散且较为偏远，光伏发电系统的建立采用户用分布式光伏发电，其技术形式相对简单且易于实施，在发电过程中噪声小且污染较少,同时能够降低远距离输送电能的损耗。其产生的光伏电能不仅能满足村民的用电需求，还能将多余电量并入电网，产生经济效益。

1.2 光伏发电系统设计

光伏发电系统中的太阳能电池将光能转变为电能，通过光伏专用线将产生的直流电输入逆变器,逆变器再将直流电转化成符合电网要求的交流电后接入配电网。系统产生的电能一部分被附近建筑物中负荷消纳，其余的电能送入电网。如果系统产生的电能不足以供给负载时，电网将向交流负载供电。

根据此光伏发电的原理，同时综合考虑苦竹坪村的地形、气候条件及经济效益等因素，设计的光伏发电系统如图1。

光伏系统的设计需要考虑太阳电池板及逆变器组件的选择，同时还需考虑组件的安装方式和并网方案。此方案中选用光电转换率高、电能消耗少、性价比高的多晶硅太阳能电池，选用更易维护、发电效率高的微型逆变器。在组件的安装方面，由于苦竹坪村将形成蘑菇与光伏发电结合的产业趋势，光伏电池板将安装在大棚上，因而选用成本低、无需外加智能设备的大棚外加装太阳能组件的安装方式。其安装方式如图2。

图1 光伏发电系统示意图

图2 塑料大棚外加装太阳能组件效果图

此方案中将太阳能电池板安装在大棚顶部，装机容量为5.2 kWp，采用60块(6行5列)260 Wp多晶硅光伏组件，使用6台1 kW微型逆变器，逆变器输出电压为三相交流400 W。每10块多晶硅光伏组件为一串，串1台1 kW微型逆变器，然后通过6汇1的交流汇流箱进行汇流后，送入升压变压器的低压侧，经箱变升压器至10 kV后接至光伏电站10 kV开关站。最后经10 kV架空线路送至距大棚最近的35 kV变电站10 kV侧。

2 苦竹坪村光伏发电量计算及效益预估

2.1 光伏发电系统发电量的计算

光伏系统中各光伏组件效率的不同会使系统效率不同，影响系统效率的因素包括光伏阵列的效率、逆变器的转换效率和交流并网效率。光伏发电系统的效率公式为:

η=η1η2η3

(1)

式中，η为光伏发电系统效率；η1为光伏阵列效率；η2为逆变器的转换效率；η3为交流并网效率。

光伏发电系统发电量：

qi=wηt

(2)

式中，qi为第i月光伏发电系统发电量；w为项目装机容量；η为光伏发电系统效率；t为倾斜面年峰值日照小时数。

通过NASA数据库得到平均每月峰值日照小时数，倾斜面年峰值日照小时数可由每月峰值日照小时数累加得到。由此估算苦竹坪村居民光伏发电系统各月发电量,如图3所示。

苦竹坪村光伏系统发电量在1、2、11、12月时光伏系统发电量少，此时苦竹坪村正处于冬季，日照时间较少。7月份发电量达到峰值，苦竹坪村正处于夏季，日照充足。6月份发电量减少，此时苦竹坪村处于梅雨季节，因而有小的波动。通过上述分析，处在亚热带地区的苦竹坪村各月光伏发电量与当地每月天气紧密相关。若苦竹坪村不发生大的灾害，其光伏系统在冬季的发电量也能满足当地居民日常生活。

图3 苦竹坪村2017年光伏系统各月发电量

2.2 光伏发电收益估算

本项目安装容量为5.2 kWp，按照宜昌市五峰土家族自治县采花乡苦竹坪村平均每月光伏发电系统的发电量、平均每月居民用电量、五峰地区电价、国家和地方补贴、光伏发电每年运行维护成本等估算本项目收益。

光伏发电每年运行维护所需费用为:

Sg=agwc

(3)

式中，Sg为光伏发电每年运行维护所需费用；ag为光伏发电运行维护率；w为光伏发电装机容量；c为单位装机容量的成本。

光伏发电每年损耗费用为：

(4)

式中，S1为光伏发电每年损耗费用；qgi为并网光伏月上网电量；qhi为并网光伏月自发自用电量；cg为政府补贴电价；ch为当地燃煤机组标杆上网电价；a1为年线损失率。

光伏发电的收入构成主要包括光伏发电年上网电量收入和政府每年电价补贴收入，还包括每年节省的电费收入。

光伏发电年上网电量收入为：

(5)

政府每年电价补贴收入为：

(6)

节省的每年电费收入为：

(7)

式中，Ce为节省的每年电费收入；ck为平均售电价格。

光伏发电总收入为：

(8)

2.3 光伏发电在苦竹坪村收益预估

苦竹坪村平均每户居民有5.2 kWp的光伏系统安装容量，以光伏设备寿命周期按 15 年考虑，光伏设备运维率为1%，线损失率为4%，根据湖北省物价局可得到当地燃煤机组标杆上网电价为0.4161元，政府补贴电价为0.96，平均售电价格为0.5。根据实地调研得到苦竹坪村平均每户居民每月用电量如表1所示。

表1 2017年苦竹坪村平均每户居民每月用电量

将以上参数代入计算,可得

(1)光伏发电系统的效率：

η=0.8184

(2)光伏发电每年运行维护所需费用为：

Sg=200.00

(3)光伏发电每年损耗费用为：

S1=221.76

(4)光伏发电年上网电量收入为：

Cb=1 326.60

(5)政府每年电价补贴收入为：

Cg=4 217.30

(6)节省的每年电费收入为：

Ce=602.50

综上可得到苦竹坪村平均每户居民一年的光伏收入可达5 724元。此数据以2017年平均每户居民用电量和平均每月日照时间为例算得，由于未来十年平均每户居民用电量和平均每月日照时间变化不大，可预测未来苦竹坪村平均每户居民一年的光伏收入在5 700元左右。

4 结 论

(1)在光伏并网设计时考虑五峰县苦竹坪村的地形和气候因素，选用多晶硅太阳能电池作为光伏组件、微型逆变器、大棚外加装太阳能组件的安装方式。

(2)在每户农民光伏发电面积约为120 m2、国家补贴苦竹坪村每度电为0.96元的前提下，初步可以估测苦竹坪村每户居民每年光伏发电收益约为5 700元。

(3)随着光伏产业在当地的不断发展，光伏发电产生的利润也会逐年上升。目前苦竹坪村居民每年人均可支配收入为7 828元，光伏产业无疑可为当地村民增加不少的收入，推动扶贫工作的进行。