付宏才，董　曉，陳　婷，張雪萍，鄭永春（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明　650201）

云南農(nóng)村家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探討

付宏才，董曉，陳婷，張雪萍，鄭永春
（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明650201）

考慮云南大部分地區(qū)常年太陽光照時(shí)間較長，利用光伏發(fā)電清潔、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于云南農(nóng)村家庭使用的小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，以助于解決云南偏遠(yuǎn)農(nóng)村用電難、尤其是大功率用電難的問題。結(jié)合云南氣象參數(shù)和大多數(shù)家庭用電狀況，以 “方便銷售和安裝、價(jià)格低廉”為宗旨，設(shè)計(jì)集成、經(jīng)濟(jì)的方案，并選定主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，為太陽能設(shè)備生產(chǎn)廠家和家庭用戶提供參考。

光伏發(fā)電；集成系統(tǒng)；農(nóng)村家庭；云南

0　引言

在我國能源與環(huán)境雙重壓力下，太陽能作為一種清潔、高效和永不枯竭的新能源，已成為很多國家可持續(xù)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

云南位于我國西南部，地形以高原和山地為主。農(nóng)村人口約占61%，村民居住較為分散。部分農(nóng)村人口居住在偏遠(yuǎn)山區(qū)，地形復(fù)雜。農(nóng)村用戶用電負(fù)荷小且分散，電網(wǎng)架設(shè)與維護(hù)困難，且成本較高。但從另一角度看，云南地區(qū)因緯度低、透明度好、大氣層稀薄，光照時(shí)間長，日照時(shí)間年均值超過2200h，相對日照接近60%，太陽能資源豐富，使用自發(fā)自用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)有天然優(yōu)勢。

1　家用小型集成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏組件半導(dǎo)體材料的“光伏”效應(yīng)，將太陽光的輻射直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電的使用通常有兩種方式，一種是并網(wǎng)發(fā)電方式，另一種是依靠蓄電池來進(jìn)行能量存儲(chǔ)的離網(wǎng)發(fā)電方式，主要用于因架設(shè)線路困難而無法到達(dá)的場合，比較適合云南偏遠(yuǎn)地區(qū)［1］。獨(dú)立太陽能發(fā)電的小用戶供電系統(tǒng)由太陽能電池板、控制器、鉛酸蓄電池（組）和逆變器組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of domestic solar power system

1.2家用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)電路原理

太陽能光伏發(fā)電的原理［1］，白天，在光照條件下，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，通過充放電控制器給負(fù)載供電；同時(shí)，通過充放電控制器對蓄電池充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，通過逆變器的作用，將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，給交流負(fù)載供電。

通過技術(shù)改進(jìn)，本集成系統(tǒng)把充放電控制器和逆變器做成控制逆變一體機(jī)，該裝置集控制、穩(wěn)壓、逆變于一體，接線方便，操作簡單。根據(jù)以上原理，技術(shù)改進(jìn)得到家用太陽能供電系統(tǒng)集成電路原理，如圖2所示。

圖2　家用太陽能供電系統(tǒng)集成電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of domestic solar power system

2　家用小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，可用于家庭照明、電視、電腦的使用；3kW光伏發(fā)電系統(tǒng)可滿足一家3口人的生活用電需求，特別是廚房用電；5kW光伏發(fā)電系統(tǒng)可以滿足一家5口人的需求。表1中的電器類型（負(fù)載類型）是對云南農(nóng)村普通家庭用電負(fù)荷情況大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)后得到的；功率大小則是按照經(jīng)濟(jì)性原則盡量選擇目前市場上最為節(jié)電的電器功率。調(diào)查情況還反映出：農(nóng)村家庭高峰用電時(shí)的功率并不比城市居民小多少，但在大多數(shù)時(shí)間里大功率電器（如表1中電磁爐、飲水機(jī)）是不用的，即高峰用電次數(shù)并不多。這和農(nóng)村家庭大量燒柴的現(xiàn)實(shí)分不開，因此農(nóng)村家庭日均、月均用電量卻比城市居民小很多?？紤]到農(nóng)村家庭自用電一般都不是滿負(fù)荷，因此云南農(nóng)村家庭用電負(fù)載基本上在3kW以內(nèi)；設(shè)計(jì)一個(gè)3kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有代表性，可滿足大多數(shù)農(nóng)村家庭的用電需求，且最大好處是可減少農(nóng)村家庭對木柴的依賴、有利于家庭清潔衛(wèi)生和生活方便，對地方生態(tài)環(huán)境的保護(hù)又十分有利；同時(shí)還有望減輕對農(nóng)村電網(wǎng)的管理成本。

2.1蓄電池設(shè)計(jì)與選型

（1）蓄電池設(shè)計(jì)。蓄電池的作用是在有光照時(shí)將太陽能電池方陣發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，并隨時(shí)向負(fù)載供電。光伏方陣在白天有光照時(shí)發(fā)出的電優(yōu)先通過控制器、逆變器供給用電設(shè)備，剩余的電量儲(chǔ)存到蓄電池中，可以晚上或者陰天時(shí)通過逆變器備用。民用光伏系統(tǒng)廣泛使用鉛酸蓄電池，是因?yàn)殂U酸蓄電池價(jià)格低廉，易于維護(hù)，使用壽命較長。綜合考慮，本系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池。蓄電池容量的計(jì)算要考慮逆變器效率、最長連續(xù)無日照天數(shù)及負(fù)載容量等諸多因素，所需并聯(lián)蓄電池的數(shù)量［2］：

表1　云南農(nóng)村家庭主要用電負(fù)載表Tab.1 Main Power loads of a rural family in YUNNAN

式中：C0—并聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量；D—最長連續(xù)無日照天數(shù)，取3天；Pl—AC日均負(fù)載功率（kW），取3kW；Kb1—蓄電池的放電深度系數(shù)，取0.5；Kb2—逆變器的轉(zhuǎn)換率系數(shù)，取0.9；P0—所選取某型號(hào)蓄電池的額定功率，取200Ah；V—系統(tǒng)直流電壓（V），取24V。由此，解得C0= 4，且能夠與24V直流系統(tǒng)電壓相匹配。

（2）蓄電池選型。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用某公司4塊鉛酸蓄電池，規(guī)格參數(shù)見表2。

表2　某型號(hào)蓄電池性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of a type of battery

2.2太陽能電池方陣設(shè)計(jì)與選型

（1）太陽能電池方陣設(shè)計(jì)。多個(gè)太陽能電池組成太陽能電池陣列，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化。目前，太陽能電池主要分為晶體硅和非晶體硅兩種，而晶體硅又分為單晶體硅和多晶體硅。據(jù)市場調(diào)研，市面上大多數(shù)都是晶體硅電池。單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率約在17%～22%左右，最高可達(dá)24.7%，且適用壽命在15年左右；而多晶體硅電池的轉(zhuǎn)換率約在16%～19%左右［3］。綜合考慮，本系統(tǒng)的太陽能電池組件選用單晶體硅太陽能電池。光伏電池組件數(shù)量［2］：

式中：Np—光伏電池組件并聯(lián)數(shù)，取整數(shù)；Pl—設(shè)備負(fù)載功率（W）；V—系統(tǒng)直流電壓（V）；Hp—峰值日照小時(shí)數(shù)（h），取6h；Imp—光伏電池組件的峰值電流（A），見表3；Kp1—蓄電池的充電效率，取0.8；Kb2—逆變器的轉(zhuǎn)換效率，取0.9。由此，得到Np=6，且能夠與24V直流系統(tǒng)電壓相匹配。

（2）太陽能電池方陣選型。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用某公司6塊單晶硅電池板組成的光伏方陣，規(guī)格參數(shù)見表3。

表3　某型號(hào)單晶硅電池組件性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters ofa type ofsingle crystalsilicon cellmodule

2.3控制器和逆變器的設(shè)計(jì)與選型

（1）控制器的設(shè)計(jì)?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池存儲(chǔ)［4］，且能自動(dòng)預(yù)防蓄電池過充電和過放電。蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)及放電深度決定了蓄電池使用壽命，所以，作為控制蓄電池組過充或過放的充放電控制器是非常關(guān)鍵的設(shè)備?？刂破鞯姆疥嚳刂齐娏骱统潆婋娏鲬?yīng)能滿足方陣短路電流的要求。方陣短路電流：

式中：I—方陣短路電流；I0—電池板短路電流，見表3；Np—需并聯(lián)的光伏電池板數(shù)量；k—安全系數(shù)，取1.25。由此，解得I=43.5A。選取24V/45A的控制器，可與24V直流系統(tǒng)電壓相匹配。

（2）逆變器的設(shè)計(jì)。逆變器是一種把太陽能發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，轉(zhuǎn)換的交流電供負(fù)載使用［1］。由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接發(fā)出的電能一般是12V DC、24V DC、48V DC，為了給一些220V AC的負(fù)載提供電能，需要將系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。根據(jù)負(fù)載功率要求，選擇1500W的逆變器可滿足需求。

（3）工頻逆控一體機(jī)的選型。工頻機(jī)具有性能穩(wěn)定、使用壽命長、故障率低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。工頻逆控一體機(jī)集控制器和逆變器于一體，擁有卓越的逆變器功能，性能穩(wěn)定，自身損耗小，價(jià)格低，可24小時(shí)工作，是家用小型發(fā)電系統(tǒng)的不二選擇。本設(shè)計(jì)選用某公司的工頻逆控一體機(jī)，其規(guī)格參數(shù)如表4所示。

表4　某型號(hào)工頻逆控一體機(jī)性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of a type of power frequency-inverter-controller all-in-one

3　成本與經(jīng)濟(jì)性分析

本設(shè)計(jì)中太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要成本來自：蓄電池、太陽能電池組、工頻逆控一體機(jī)、支架、電線、人工費(fèi)等，參見表5。

以云南地區(qū)為例，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)可知，該太陽能發(fā)電系統(tǒng)一年發(fā)出的電量約為3600kWh，如果按家庭用電單價(jià)0.6元/度計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)3600×0.6=2160元（不過這個(gè)開支節(jié)約的前提是，農(nóng)村家庭要盡量放棄使用木柴，改用太陽能供電來解決廚房用電問題）。理論回收期17800÷2160=8.2年，約為8年。

從目前來看，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不是很好，主要體現(xiàn)在相關(guān)設(shè)備的價(jià)格較高，分?jǐn)偟陌l(fā)電成本偏高，這離云南普通農(nóng)村家庭的心理價(jià)位還相差甚遠(yuǎn)。然而，考慮到太陽能光伏發(fā)電的清潔、安全、使用方便等“附加值”，就不宜單純與傳統(tǒng)的發(fā)電模式進(jìn)行單純的成本比較，在取代農(nóng)村燒柴做飯等用電大頭問題上，優(yōu)勢就更加明顯，尤其是森林砍伐日益嚴(yán)重，我們不得不呼吁政府對這種新能源在農(nóng)村的推廣應(yīng)用給予一定的政策與資金扶持。同時(shí)，光伏技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)中的發(fā)展，如在光伏灌溉、光伏農(nóng)業(yè)大棚等方面使用非常廣泛［5］，這有利于在農(nóng)村、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣和綜合利用太陽能發(fā)電技術(shù)創(chuàng)造良好的氛圍。

4　結(jié)束語

光伏發(fā)電作為清潔、安全、實(shí)用的供電方式，可以幫助解決云南無電、電網(wǎng)脆弱、大功率用電難等農(nóng)村地區(qū)的用電問題。本文結(jié)合云南氣象參數(shù)，突出方案的集成性和經(jīng)濟(jì)性，選定部分設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)農(nóng)村家用3kW太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了成本與經(jīng)濟(jì)性分析，力求系統(tǒng)功能可靠、價(jià)格低廉，方便銷售和安裝，為太陽能生產(chǎn)廠家和家庭用戶提供參考?？傮w上看，該系統(tǒng)的價(jià)格目前離普通農(nóng)村家庭的心理價(jià)位和經(jīng)濟(jì)接受能力還有一段距離。因此，出于長遠(yuǎn)考慮，為了推廣這種新型系統(tǒng)，建議：

（1）政府給予一定的政策扶持，有利于雙向降價(jià)：既可以讓農(nóng)村家庭減少支付，也可以降低規(guī)模生產(chǎn)的成本。

（2）由于目前太陽能供電成本相對較高，如果在云南農(nóng)村地區(qū)把推廣沼氣使用和推廣太陽能結(jié)合起來進(jìn)行，可以很好地解決農(nóng)村大功率用電、耗能問題，特別是廚房耗能問題。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，兩者配合使用完全可以解決農(nóng)村家庭的能源消耗問題，營造出農(nóng)村家庭清潔、方便的生活環(huán)境。

（3）由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步速度驚人，特別是蓄電池技術(shù)和光伏技術(shù)的進(jìn)步，相信不久的將來，太陽能光伏系統(tǒng)的技術(shù)成本會(huì)有大幅度降低，太陽發(fā)電系統(tǒng)走入普通農(nóng)村家庭的時(shí)代即將來臨。

［1］沈文忠.太陽能光伏技術(shù)與應(yīng)用［M］.上海交通大學(xué)出版社，2013.

［2］美國國際太陽能協(xié)會(huì)，譯者：李雅琪.太陽能光伏發(fā)電設(shè)計(jì)與安裝指南［修訂版］［M］.湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

［3］楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［4］王東.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)集成［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［5］Chien-Ming Cheng，Shiao-Li Tsao，Pei-Yun Lin.A Solar-Based Energy-Efficient Distributed Server Farm ［J］.Ieee transactions on systems，man，and cybernetics：systems，VOL.45，NO.1，2015.

Small Household Solar Photovoltaic Integrated System Design

FU Hong-Cai，DONG Xiao，CHEN Ting，ZHANG Xue-Ping，ZHENG Ying-Chun
（Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）

Considering a longer sunlight all year round in most parts of Yunnan，utilizing the clean，safe and reliable advantages of photovoltaic energy，this article designs a small solar photovoltaic integrated system for Yunnan rural households in order to solve the problem of shortage of electric（especially high-powered）supply in remote rural areas of Yunnan.Combined with the meteorological parameters and power consumption situation of most families in Yunnan，aiming at"convenient sales，convenient installation，and low price"，this essay designs integral and economical solutions，and selects the technical parameters of main equipments in order to provide the reference for solar equipment manufacturers and home users.

photovoltaic power generation；integrated system；rural households；yunnan

TM61

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.005

1002-6673（2015）05-011-04

2015-06-07

付宏才（1966-），男，湖北隨州人，博士，副教授。主要研究方向：農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程。出版譯著一部、合著一部，發(fā)表論文四十余篇；董曉（1990-），女，山東鄒平人，碩士研究生。主要研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。