关键词：分布式光伏；发电；系统设计
1 引言
大力发展可再生能源替代化石类能源已经成为推动能源改革和经济社会发展的必然趋势[1]。是实现能源转型的关键途径之一。2012年《可再生能源法》明确指出，国家鼓励和支持可再生能源并网发电；《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》指出对分布式发电实行全电量补贴政策，每千瓦时0.42元（含税），自发自用，余电上网，由电网企业按照当地燃煤机组标杆上网电价收购。2014年陕西省政府出台了《陕西省人民政府关于示范推进分布式光伏发电的实施意见》、同年商洛市政府也出台了《商洛市人民政府关于加快光伏发电产业发展的意见》，这些光伏政策为商洛地区家用分布式光伏发电建设提供了政策支持。
2 分布式光伏发电系统构成
分布式光伏发电特指装机在数kW~几十MW，安装在用户附近非外送的，就地消纳的小型分散发电单元[2]。通常是用户自发自用、余电量上网的运行方式。分布式光伏发电系统结构图如图1所示。
图1 分布式光伏发电系统
典型分布式光伏电站是屋顶太阳能电站，并入低压电网，共同向用户（负荷）供电。图1中储能装置蓄电池组不是必需的，它的设置是考虑到将白天富裕的光伏能量存储起来以便用于夜间和连续阴雨天对负载进行供电。
3 光伏组件选择和铺设方式
3.1 光伏组件选型
太阳能电池种类较多，根据太阳能组件的类型可分为单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅薄膜组件和砷化镓组件等，其中晶体硅太阳能组件约占市场的80%-90%。多晶硅电池组件的转换效率逼近单晶硅组件，但价格仅仅是单晶硅电池的70%[3]。砷化镓组件高转换效率对应于高成本，非晶硅电池效率低，价格便宜，但不利于长期使用。综合考虑组件特点、资金，选用多晶硅组件是比较合适的。
3.2 光伏组件容量计算
光伏组件容量选择和用户的投入资金、用电量及用户铺设电池板的空间大小、当地太阳资源等诸多情况有关。
文献[4]对太阳能资源分布中四类地区的描述，可知商洛地处陕西南部，属于四类地区，太阳资源不是很丰富。结合现有的光伏发电技术，1kWp的多晶硅太阳能组件，在四类地区年发电量在922-1111kWh。对于四类地区，年用电量在3000kWh的用户，装3kW就够了，那么要想获得更多的余电就要多铺设电池板，这又会受到资金和空间的制约。根据文献[5]，国网公司商洛供电局北新街营业厅工作人员称：“大部分群众每月的用电量都在100度左右”。
由此可得，对于处在四类地区的商洛居民，选用大约3kW的光伏组件，就可以满足每日5kWh的用电量。光伏发电系统1kW需要的面积是10-15m2，对于一般的商洛农村居民的屋顶上或者自家空地都可以满足，对于市区居民住宅楼只能安装于楼顶的空地上（屋面的承重能力大于20kg/m2）。拟选用250Wp光伏组件12块，串联通过汇流箱后接逆变器。
3.3 光伏组件铺设方式
3.3.1 人字结构屋顶
对于自家人字结构的屋顶，不能充分考虑组件安装的倾角，但是可以考虑商洛地区位于北半球的地理因素，敷设依照屋顶走势朝南布置。
3.3.2 平顶结构屋顶
在平面结构屋顶安装组件需要安装光伏支架和对最佳倾角进行计算，使组件充分吸收太阳辐射并考虑组件前后排的间距，以防止前排遮挡住后排而影响方阵的输出功率。
对于固定安装的组件，组件倾角常以《光伏发电站设计规范》中的组件最佳倾角为准，也可依据日照辐射最大值来计算[6]。在商洛北纬33°基础上可以适当的增加倾角，以提高冬季吸收太阳辐射量，针对具体项目还需具体分析，推荐最佳倾角不一定就是最佳角度。对于固定倾角安装式，一般使阵列尽可能向赤道方向倾斜敷设，工程上以当地纬度+5°。对于屋面面积有限且安装容量较大时，应尽量减少阵列间的阴影遮挡，对于屋面面积充裕时固定安装式光伏阵列的间距根据商洛冬至日9: 00～15: 00时段内，前后排组件间不受阴影影响来考虑阵列间隔。
光伏支架材料和强度符合《设计规范》要求，杜绝劣质材料支架，否则将会给组件的安全造成隐患。
3.3.3 自家空地安装
在自家空地上安装，使用混凝土条和锚桩做支架基础，支架基础强度的设计需要考虑当地气象条件，其余参照平顶结构安装方式。
4 逆变器选择
屋顶光伏系统逆变器具体选型时还要根据实际使用环境（例如：海拔、湿度、温度等），运行环境（例如：电网电能质量、电网的稳定性、组件的各项参数）进行优化选择[7]。需要选用并网逆变器，其功率应按照负载和组件的功率综合考虑，大多数逆变器允许短时过载运行，为了安全起见逆变器的输入功率不要超过组件的额定功率，对于输出功率应该考虑家用负荷大小来选择，普通家庭负荷主要有电视、电脑、冰箱、空调、照明灯负荷，实时负荷在几十瓦到两千瓦之间波动，可以选用单台2~3kW的单向并网逆变器，也可以选用多台500W的单向并网逆变器并联使用，多逆变器会导致接线的复杂和成本的增加，但是能提高逆变器的使用效率。因此需要在安全、电网友好、投资回报周期、运维等多个方面中寻求平衡点。
5 蓄电池选择
蓄电池的选择是分布式光伏系统中的储能设备，把白天剩余电量储存起来以供夜晚及连续阴雨天使用。蓄电池的容量是由负载的需求量和天气产生的充电电量来决定的。在选择中还要考虑到其他的因素，如：放电程度、放电率、温度、控制器效率等。常用的铅酸蓄电池的容量的确定方法如下。蓄电池容量=(自给天数*每日平均负载)/最大放电深度。目前蓄电池存在的问题有价格高，使用寿命短，充放电效率低，对于家用分布式光伏发电系统储能环节的配置需要进行经济技术论证，通常不设储能环节。
6 系统接线方案
6.1 余电上网型
普通用户自发自用，余电上网类型系统结构示意图如图2所示。
图2 余电上网型系统示意图
图2所示的余电上网型系统接线示意图中未设计储能环节，如需装设蓄电池储能设备，需要在光伏组件与逆变器之间加装DC/DC蓄电池充电管理设备。图中忽略了汇流箱，交直流配电柜。并网发电前原来用户的单向计量电表需要更换成双向计量电表，以便进行与国网公司双向电费计量。
6.2 全额上网型
全额上网发电系统接线示意图如图3所示。全额发电系统用户不使用光伏电力，直接将发电并网。
图3 全额上网型系统示意图
对于全额上网发电系统，白天的光伏电力全部输送到电网，无需增设储能环节，图3中忽略汇流箱和交直流配电柜的设计。
7 家用分布式光伏电站经济效益分析
7.1 分布式电源的电价补助结算政策
全部上网项目电价执行陕西地区光伏电站标杆上网电价1元/千瓦时（含税），自发自用余电上网按照全电量补贴政策，电价标准为每千瓦时0.42元（含税），以可再生能源发展基金支付，由供电企业转付，余电上网电量以当地燃煤机组标杆上网电价给付。
7.2 家用分布式光伏电站收益
以3kW家用分布式光伏电站以自发自用余电上网方式为例，年发电量约在3000kWh，获得补贴收益：
（1）
假设每天自用5度电，余电上网，则全年售电收益为：
（2）
因此年收益为1753.5元。电站建设投入约在8000元/kW，3kW的电站也就不到3万元，银行的定期存款利率3.6%，3万元存款一年也就1千元。光伏电站使用寿命在25年，大约12年就能收回成本。
7.3 社会效益
分布式光伏发电不但能为用户创收，还能解决了电能长期输送的电能损失和电压降的问题。3kW光伏发电每年可节约煤炭1.06吨，减排二氧化碳1.01吨。
8 结语
倡导就近发电，就近使用，就近并网的分布式光伏发电发展前景广阔，在商洛地区建设家用分布式电站不仅能使居民脱贫还能响应国家大力发展新能源的号召，缓解能源和环境危机。
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