基于3kW分布式光伏发电系统的经济社会效益研究
中图分类号：TM615
文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）04-0253-03
1引言
太阳每秒钟喷射的能量大约是1.6×1023kW，其中抵达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。假如把地球表面0.1%的太阳能转换为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012kW?h，相当于目前世界上能耗的40倍[1]。
太阳能并网光伏发电系统作为一种可再生能源系统在国内推广和应用，我国是世界上能源消费大国，在已知的新能源开发中，太阳能必然能满足人类发展的能量需求。太阳能光伏发电的运用必将能提高环境状况，缓解全球能源紧缺的现状。
本文基于实际工程，研究光伏发电并网系统，并调查了截至2014年前三季度的太阳能光伏发电系统的政策及发展现状，对屋顶光伏发电系统的发电量及电力消耗情况进行实例剖析，评价了因导入光伏发电系统带来的节能、环保和经济性影响。
2太阳能光伏发电的现状及政策
作为战略性新兴产业，光伏发电在各国政策的鼓励下，发展迅速，规模扩大。
2014年前三季度，全国新增光伏发电并网容量379万kW，其中，新增光伏电站并网容量245万kW，新增分布式光伏并网容量134万kW;全国光伏发电量约180亿kW时，相当于2013年全年发电量的200%。国家电网公司运营范围内新增光伏发电装机320万kW，其中光伏电站205万kW，分布式115万kW;南方电网公司经营范围内新增光伏发电装机28万kW，其中光伏电站12万kW，分布式16万kW。甘肃累计光伏电站并网容量达到466万kW，青海达到365万kW，新疆达到313万kW。而江苏累计分布式并网容量达到70万kW，浙江达到46万kW，广东达到44万kW。
随着近10年光伏产业的迅速发展和技术水平提高，光伏发电效率不断提高，组件成本一直下跌，然而与其他发电方式相比，光伏发电的成本依然很高。其中，火力发电的成本大约在0.4元/度，水电的发电成本为0.2～0.3元/度，核电的发电成本为0.3～0.4元/度，风电的发电成本为0.6元/度，但是，光伏发电的成本却依然高达0.9～1.0元/度。因而，至少在目前的技术水平条件下，光伏发电仍然需要依赖政府的补贴支持，还不能完全脱离补贴、不能独立参与电源市场竞争。
3光伏发电并网系统的研究对象
分布式并网光伏发电系统由光伏组件、并网逆变器、控制装置组成。研究系统位于山东省泰安市岱岳区的住宅屋顶上，此研究对象是用12块电池板串联，每块光伏组件的功率是250W，系统的总功率是3KW，于2013年6月4号成功并网，系统组成如图1所示。
3.1系统采用的光伏组件
本设计采用多晶硅光伏组件，选用的组件外形尺寸为1650mm×990mm×40mm，单组功率为250W，10年不低于91.2%的标称输出功率，25年不低于80.7%的标称输出功率。具体组件参数如1所示。
12块光伏板并排列于屋顶上，该设计规模较小，主要用于光伏发电系统的研究与验证，根据当地纬度粗略确定太阳能光伏阵列的倾斜角[2]，系统采用自制可调整角度钢架固定留有两个倾角，一个是40°，一个是20°，12块电池板横向排列。
3.2光伏逆变器
将直流电能转变成为交流电能的过程称为逆变，通常将DC-AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC-AC逆变电源称为逆变器（Inverter）。它使转换后的交流电的电压、频率与电力系统交流电的电压、频率相一致，以满足为各种交流用电设施、设备供电及并网发电的需求。
此研究对象的光伏并网逆变器选用某公司的高频隔离光伏并网逆变器（ASP-1.5/2/3/4KHF系列）。其逆变器的电路结构如图2所示[3]。
逆变器是光伏发电系统的核心部分，在整个并网系统中，各部分对光伏对逆变器都有相应的要求。作为电能的输入端，光伏阵列对逆变器的要求就是使输出电压最大化，使阵列工作在最大功率点，得到最大工作电压;在并网端，电网对逆变器要求也很严格，电网是一个大系统，对电能质量要求很严格，逆变器的输出电压的波形、频率、相位必须与电网一致，同时逆变器还要有能防止孤岛效应的作用;而作为用户，对逆变器的要求就是成本低、高可靠性、维护简单和使用寿命长。
4分布式光伏发电系统的实测对象
光伏发电系统所测量的对象如表2所列。居民家里所有的用能设备均为用电设备，空调是冷暖两用空调机，热水供应采用电热水器，其他的电力消耗主要是家电和照明。所有消耗的电力由屋顶光伏发电系统和电网两者配合提供，当阴雨或夜晚光伏发电系统不发电时或者白天发电量不能满足家庭用电需求时，电网会向居民提供用电，由居民从电网购电;而当晴天光伏发电系统的发电量超过家庭用电量时，除了自身家庭用电外，多余的电力将上网卖给电网。研究的对象是位于山东泰安岱岳区的居民住宅。由于住宅本身的方位角和屋顶的倾斜角度，光伏阵列的设置要符合当地住宅的实际情况，所以阵列模块的方位角和倾斜角与住宅的相一致[4]。
4.1实测结果
（1）月累计电量图3显示了住宅的2013年6月到2014年5月的月累计电量。表3统计了不同时段的月累计电力详细情况。 住宅在1月份的消费电量也比其他月要大，这主要是因为冬季的供暖用空调耗电增大，且热水负荷也比夏季和春秋季要大。发电量中的自家消费量的最大值出现在8月份。
4.2应用评价
4.2.1节能效果评价
图4显示了研究对象住宅的一次能源节约量。以电网能够不需消耗太阳能光伏发电系统的发电量，从而可以节约投入到发电厂的一次性能源的方法来评价太阳能光伏发电系统的节能性。我国火力发电厂最多大约为40%～42%，以电网的39%的发电效率来计算太阳能光伏发电系统发电量的一次能源节约量。9月份的节能量最大，住宅可节约的一次性能3937MJ。即使在发电量最低1月份，住宅仍可节约一次能源2243MJ。
以国内电厂的平均能耗水平来说，每节约1度（kW?h）电，就相应节约了0.36千克标准煤，此系统每年可发电5000度电，可节约年燃料能耗1.8吨标准煤。
4.2.2环保效果评价
以国内电厂的平均能耗水平来说，注：每节约1度（kW?h）电，可减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。
以二氧化碳的减排量来评价太阳能光伏发电系统的环保效果，太阳能光伏发电系统的二氧化碳排放主要来自于太阳能电池以及附属设备的生产制造、运输和施工过程。住宅的月最大二氧化碳减排量是8月，也是月累计发电量最大的月份。
我国对分布式光伏发电量进行贴补支持，有两种方式，一种是“自发自用、余电上网”，1度电补贴“0.42元/kW?h”，上网部分按燃煤脱硫标杆电价收购“0.44元/kWh”。2014年9月5日，国家新能源局规定，分布式光伏发电也可以“全额上网”的并网方式享受光伏电站标杆上网电价。
对于“全额上网”，山东省规定“2013～2015年并网发电的光伏电站标杆上网电价为每千瓦时1.2元（含税），高于国家标杆电价（1元）部分由省级承担”。对于本文涉及的系统，本项目每年发5000度电左右，若按“全额上网”，6年可收回成本;若按“自发自用，余额上网”，上网电价按脱硫标杆上网电价0.4469元/KWh，度电补贴0.42元/KWh，一般8年左右就可收回成本;学校、工厂、商业用电价格高，收回成本时间更短。
光伏发电对电网也有明显的改善作用，光伏分布式并网发电情况下，在保证系统中各节点谐波水平在国家标准限值范围内时，可以通过调整并网光伏容量来改善电网电压水平，使系统达到最理想的状态。同时也有电网调峰的作用，夏天用电量特别大，光伏发电量也是最大的季节;并且，白天用电高峰正是发电高峰。所以光伏发电可以对电网调峰起到很好的作用，缓解电网压力。
5结语
（1）我国通过制定各种开发计划，融资制度，政府补贴计划，设置可再生能源市场份额以及并网电价等的制度，大力促进了太阳能光伏发电系统的技术创新，降低了设备初期投资，促进了太阳能光伏发电系统的普及，成为能源产业的不可或缺的重要组成部分。
（2）所分析的屋顶并网光伏发电系统具有良好的节能、环保和经济性效果。政府为推进太阳能光伏发电系统的技术创新和应用推广，采取了一系列的补贴政策，对分布式光伏发电的开发推广起到了一定的积极作用。
（3）以实际工程为例，介绍了工程的结构组成，对运行数据进行了统计，介绍了系统成本及后续经济社会效益，光伏能源是未来重要的能源组成部分，要充分利用光伏发电带来的有利影响，才能实现新型电网运行效率和性能优势的最大化。
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