分布式家用光伏方案設計及投資回報案例分析

　　光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的發(fā)電系統(tǒng)。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式，它倡導就近發(fā)電，就近并網，就近轉換的原則，不僅能夠有效提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。

　　分布式光伏發(fā)電具有以下特點：

　　1、是輸出功率相對較小。一般而言，一個分布式光伏發(fā)電項目的容量在數(shù)千瓦以內。與集中式電站不同，光伏電站的大小對發(fā)電效率的影響很小，因此對其經濟性的影響也很小，小型光伏系統(tǒng)的投資收益率并不會比大型的低。

　　2、污染小，環(huán)保效益突出。分布式光伏發(fā)電項目在發(fā)電過程中，沒有噪聲，也不會對空氣和水產生污染。

　　3、能夠在一定程度上緩解局地的用電緊張狀況。但是，分布式光伏發(fā)電的能量密度相對較低，每平方米分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率僅約100瓦，再加上適合安裝光伏組件的建筑屋頂面積有限，不能從根本上解決用電緊張問題。

　　4、可以發(fā)電用電并存。大型地面電站發(fā)電是升壓接入輸電網，僅作為發(fā)電電站而運行；而分布式光伏發(fā)電是接入配電網，發(fā)電用電并存，且要求盡可能地就地消納。

　　設計原則

　　一)合理性

　　由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)也是屬于光伏電站的一種，所以其設計、施工均需滿足國標《GB50797-2012光伏發(fā)電站設計規(guī)范》的要求，將根據(jù)其對項目站址選址、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電氣部分、接入系統(tǒng)進行合理性設計。

　　二)安全性

　　設計的光伏系統(tǒng)需安全可靠，防止意外情況造成的人身意外傷害與公共財產的損失。光伏系統(tǒng)的安裝施工納入建筑設備安裝施工組織設計，并制定相應的安裝施工方案和特許安全措施；

　　三)美觀性

　　對光伏方陣與地面上的土建房屋等進行統(tǒng)一設計，美觀大方，實現(xiàn)整體協(xié)調。

　　四)高效性

　　優(yōu)化設計方案，盡可能的提高光伏系統(tǒng)的整體發(fā)電效率，減少不必要是能耗損失。達到充分利用太陽能、提供最大發(fā)電量的目的。

　　五)經濟性

　　作為光伏項目，在滿足光伏系統(tǒng)外觀效果和各項性能指標的前提下，最大限度的優(yōu)化設計方案，合理選用各種材料，把不必要的浪費消除在設計階段，降低工程造價，為業(yè)主節(jié)約投資。

　　系統(tǒng)設計

　　本方案屋頂有效面積約30m2，采用260Wp光伏組件12塊組成，共計建設3.12KWp屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用1臺3KW光伏逆變器將直流電逆變?yōu)?20V交流電，接入220V線路送入戶業(yè)主原有室內進戶配電箱，再經由220V線路與業(yè)主室內低壓配電網進行連接，即可送電進入市電網。

　　項目所處地理位置

　　本項目所在地紅安縣位于湖北省東北部大別山南麓，東鄰黃岡麻城，西接孝感大悟，南臨武漢黃陂，北接河南信陽，縣城距省會武漢80公里。地跨東經114°23′—114°49′，北緯30°56′—31°35′之間。全縣國土總面積為1796平方公里，轄12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)場，396個行政村，人口66.36萬人，其中農村人口52.9萬人，城鎮(zhèn)人口13.46萬。

　　紅安縣地勢北高南低，海拔高度一般為200米?？h東北部為山區(qū)，坡度15°—40°，最高點為縣北的老君山，海拔840.5米?？h境最低處是南部的太平橋鎮(zhèn)與新洲縣交界的倒水河畔杜家灣，海拔僅30米。

　　紅安縣南部多丘陵，坡度5°—20°。全縣河谷平原少，為半山半丘陵地區(qū)。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15.7℃，最高氣溫為41.5℃，最低氣溫為-14.5℃。全縣無霜期平均為236.4天；全縣年平降水量為1116.2毫米，夏季降雨量占年總雨量的一半，年平降雪日為8.3天，年平相對濕度77%，年平均風力3級。年均總日照為1998.8小時，占可照時數(shù)45%，屬于太陽能資源三類可利用地區(qū)。

項目地氣象數(shù)據(jù)(美國NASA氣象局提供)

　　光伏組件選型

　　本項目選用260P-60多晶硅太陽電池組件產品，額定功率260Wp。其主要性能參數(shù)如下表所示：

表1.選用的光伏組件產品參數(shù)

　　光伏并網逆變器選型

　　根據(jù)本項目業(yè)主為居民分布式，電網入戶電壓為AC220V,故選用單相光伏逆變器。其主要性能參數(shù)如下表所示：

　　站址的選擇

　　對于居民及家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，其站址一般選在居民屋頂或空曠地面之上，故在此暫不考慮大范圍上的自然條件(太陽輻射量、地理位置、交通條件、水源)和接入電網條件(接入點的距離、接入點的間隔等)。

　　環(huán)境影響更能直接影響到居民及家用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的選址，其關鍵要素如下：

　　A. 有無遮光的障礙物(包括遠期與近期的遮擋)

　　B. 鹽害、公害的有無

　　C. 冬季的積雪、結冰、雷擊等災害

　　本案安裝在業(yè)主屋頂，周圍無高大建筑物，在設計布局時無需對此進行陰影分析。

　　光伏最佳方陣傾斜角與方位

　　為了保證本項目收益最大化，并且也為了組件安裝簡便與效果美觀，通過專業(yè)光伏模擬軟件分析得出，此地的最佳太陽能傾斜角度為 26 度，及朝正南向傾斜26度安裝。這樣可保證系統(tǒng)發(fā)電量在全年周期中的最大化。

　　另考慮到光伏支架強度、系統(tǒng)成本、屋頂面積利用率等因素。在保證系統(tǒng)發(fā)電量降低不明顯的情況下(降低不超過1%)盡可能降低光伏方陣傾斜角度，以減少受風面做到增加支架強度，減少支架成本、提高有限場地面積的利用率。

　　經分析得出，本項目建議傾斜角約為17度左右(屋面正南面傾斜角度)。

　　光伏方陣前后最佳間距設計

　　為了追求太陽能發(fā)電系統(tǒng)全年的最佳發(fā)電量并盡可能的提高屋面利用率，我們在此要求在冬至日(每年的12月22日或12月23日)當天9:00至15:00，光伏方陣列不會互相遮擋，此時的前后間距即為最佳間距。

　　經專業(yè)PV軟件模擬可知，光伏方陣傾斜角度17度，組件陣列與陣列間最低點間距保持在5M，冬至日當天9:00至15:00，光伏方陣列基本不會互相遮擋。

　　光伏方陣串并聯(lián)設計

　　分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池組件電路相互串聯(lián)組成串聯(lián)支路。串聯(lián)接線用于提升集電系統(tǒng)直流電壓至逆變器電壓輸入范圍，應保證太陽能電池組件在各種太陽輻射照度和各種環(huán)境溫度工況下都不超出逆變器電壓輸入范圍。

　　考慮到適用于晶體硅電池的逆變器最大直流電壓(最大陣列開路電壓)為550V，最大功率電壓跟蹤范圍為70~550V,MPPT路數(shù)為1路/1并。

　　對于本項目選用12塊260W多晶硅太陽電池組件，每個太陽電池組件額定工作電壓為31.2V，開路電壓為38V，串聯(lián)支路太陽電池數(shù)量初步確定為12個。

　　在環(huán)境溫度為25±2℃、太陽輻射照度為1000W/m2的額定工況下，12個太陽電池串聯(lián)的串聯(lián)支路額定工作電壓為374.4V，開路電壓456V，均在逆變器允許輸入范圍內，可確保正常工作。

　　在工況變化時考慮在平均極端環(huán)境溫度為-10℃時，太陽能電池組件串的最大功率點工作電壓為12×31.2×(0.35%×35+1)=420.3V，滿足550V最高滿載MPPT點的輸入電壓要求；在極端最高環(huán)境溫度為42℃時，太陽能電池組件的工作電壓為12×31.2×(-0.35%×17+1)=352.1V，滿足70V最低MPPT點的輸入電壓要求?？紤]系統(tǒng)電壓線損為2%，可以看出上述方案完全滿足使用要求。

　　經上述校核，確定串聯(lián)支路太陽電池數(shù)量為12。

　　電氣系統(tǒng)設計

　　根據(jù)光伏組件選型、光伏并網逆變器選型、光伏方陣串并聯(lián)設計等，結合業(yè)主低壓接入情況，對本案光伏發(fā)電進行電氣系統(tǒng)設計，如下圖所示：

　　防雷接地設計

　　太陽能光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的基本組成為： 太陽電池方陣、 光伏匯流箱、箱變和逆變器等。太陽電池方陣的支架采用金屬材料并占用較大空間且一般放置在開闊地， 在雷暴發(fā)生時，尤其容易受到雷擊而毀壞， 并且太陽電池組件和逆變器比較昂貴， 為避免因雷擊和浪涌而造成經濟損失， 有效的防雷和電涌保護是必不可少的。 太陽能光伏并網電站防雷的主要措施有：

　　外部防雷裝置主要是避雷針、 避雷帶和避雷網等， 通過這些裝置可以減小雷電流流入建筑物內部產生的空間電磁場， 以保護建筑物和構筑物的安全。太陽能光伏發(fā)電設備和建筑的接地系統(tǒng)通過鍍鋅鋼相互連接， 在焊接處也要進行防腐防銹處理， 這樣既可以減小總接地電阻又可以通過相互網狀交織連接的接地系統(tǒng)可形成一個等電位面， 顯著減小雷電作用在各地線之間所產生的過電壓。

　　水平接地極鋪設在至少 0.5m 深的土壤中(距離凍土層深 0.5m )， 使用十字夾相互連接成網格狀。同樣，在土壤中的連接頭必須用耐腐蝕帶包裹起來。

　　針對本案光伏發(fā)電系統(tǒng)，防雷設計包括外部防雷裝置(接地引下線)和內部防雷裝置(浪涌保護)，如下圖所示：

　　防雷設計說明：

　　外部防雷：將露天安裝的光伏方陣構件(方陣支架、組件等金屬外殼部件)利用接地水平接地極與屋頂原有防雷帶有效連接。

　　內部防雷：將光伏并網逆變器交流輸出端，零線、火線與地線之間加裝Ⅱ級浪涌保護器，浪涌保護器接地端利用接地水平接地極與接地網(原有或新建)有效連接。

　　光伏供電系統(tǒng)發(fā)電量統(tǒng)計

　　系統(tǒng)效率計算：

　　考慮到光伏組件功率的衰減，未來25年發(fā)電量預計：

　　收益分析

　　主要依據(jù)有：

　　1)《建設項目經濟評價方法與參數(shù)(第三版)》(國家發(fā)改委和建設部2006年7月頒發(fā))、《國務院關于固定資產投資項目試行資本金制度的通知》，以及國家現(xiàn)行的有關政策；

　　2)湖北省相關政策；

　　3)國家現(xiàn)行貸款利率、有關財稅制度及規(guī)定。

　　本工程靜態(tài)總投資2.81萬元，計算期20年，其中建設期1個月，運行期20年。資本金比例為100%本金，計算基準年為第一年，基準點為第一年年初。折舊年限為20年，殘值率為5%。

　　本次財務評價中其它參數(shù)，參照國家相關財務規(guī)定或行業(yè)規(guī)范取值。

　　注：對于居民小型分布式發(fā)電，國家采取免收增值稅的優(yōu)惠政策。

　　本項目總裝機容量3.12KWp,20年累計發(fā)電量63690KWH,采取自發(fā)自用余電上網模式，自用電比例為70%。資本金內部收益率為6.37%，投資回收期限7.76年。

　　節(jié)能減排

　　本項目建成后，3.12KW光伏電站年發(fā)電量3123kwh(25年計算)，平均每千瓦時(即每度)火力供電需煤耗為350g標準煤(理論值)計算，節(jié)能減排如下表所示：

　　3KW屋頂分布式光伏扶貧項目總投資2.81萬元，年發(fā)電量約3184度，年創(chuàng)收約0.32萬元。

　　因此，分布式家用光伏不僅具有投資收益穩(wěn)定、節(jié)能減排效果好的優(yōu)點，更能有效解決貧困人口實際收入問題，真正實現(xiàn)精準脫貧。