小型户用系统的成本分析

一 引言

    自20世纪80年代以来，伴随着太阳能的开发与利用，光伏产业成为世界上增比最快的高新技术产业之—，随着世界各国对可再生能源的重视和太阳电池转换效率的不断提高，光伏发电产业正在以一日千里的速度迅猛发展，尤其对于那些居住分散，交通不便，很难通过延伸公共电网来解决用电问题的地区，都是太阳能发电系统巨大的潜在市场。

    然而，在一些小型用户的光伏发电系统设计中，常存在这样的一些问题：如为迎合造价低廉的要求，设汁容量明显不足；盲目追求高可靠性，要求完全不能停电，大大增加了投资费用。蓄电池容量偏大，不但增加了投资，造成了浪费，还容易形成充电不足。本文根据小型户用光伏发电系统的设计，对影响其发电系统的成本的主要因素进行了分析，在满足负载覆盖率的前提下，保证系统的优化和经济性。

    二 光伏发电系统成本分析

    光伏发电系统的寿命周期成本C为：

    C=Cs W?+Cbb    (1)

    式中：Cs为光伏组件的单价(元／kWh)；W为太阳电池峰瓦数；Cb为蓄电池的单价；b为蓄电池的容量。

    系统的约束函数为：

    LOLH(w，b)=TK    (2)

    式中:TK为用户允计的失电小时敉：LOLH(w,b)为在失电小时数为TK的情况下，太阳电池峰瓦数Wc和蓄电池总容量不b之间的关系。

    由上式可见，光伏发电系统的成本与光伏组件和蓄电池的容量有着线性的关系，并受失电小时数的约束。

    三 成本影响因素分析

    1 蓄电池的容量

    在进行蓄电池容量设计时，通过综合考虑光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数和负载允许的最大失电小时数来确定蓄电池的自给天数。此外蓄电池容量还与蓄电池的放电率和环境温度有关。

    (1)蓄电池的放电率对容量的影响

    蓄电池的容量随着放电率的降低相应增加。

      

    式中：S为蓄电池的平均放电率(h)：D为自给天数，Pi为负载功中(w)；Ti为负载工作时间(h)；DOD为蓄电池的最大放电深度。

    由蓄电池放电率和工作温度可查出容量修正系数  1。

    (2)环境温度对蓄电池的影响

    蓄电池的容量： 

    式中：Ld为一天累计和负载电量(kwh)；D为自给天数，L为衰减率；N为电池个数；Vb为标称蓄电池电压(V)，铅酸蓄电池的场合为2Vt,  1为蓄电池电压受放电率影响的容量修正系数。

    由于当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。其变化趋势如图3所示。

    受温度的影响，蓄电池的最大放电深度为：

    DODb=DODx[1十a(t-25)]    (5)

    式中：a为蓄电池温度系数(1/℃)。

    蓄电池的容量可修正为：

    

    2 光伏组件的容量

    太阳电池组件容量的计算公式：

    

  式中:EL为一年中负载消耗的电量(所需电量)(kwh／年)；Pas为标准状态下(AM1.5，日照强度为1000W／m2，太阳电池单元温度为25℃)的太阳电池阵列的输出(A?h)；  2为光伏组件的输出效率；T为太阳电池组件的峰值小时数。

    太阳电池组件的峰值小时数的估算方法为T=I

四 实例计算与分析

    以内蒙古自治区苏尼特右旗(北纬42度28分，东经112度57分)的一个光伏户用系统为例，日耗电量约为2.0度，一年中允许的失电小时数为8小时，即负荷覆盖率为98％。该地太阳能资源的气象资料效据见表1。

    根据上表，可以计算出苏尼特右旗的水平面的年平均辐照总量为1.59MWh／m2／yr。其安装倾角采取一年调整两次的方法，即4—9月份为30度，其它月份为60度。可得到倾斜安装的光伏组件上的年平均辐照总量为2.0MWh／m2／yr。由±：该地在12月份的月平均日辐照最小，该光伏系统设计时，以此月为基础用计算机进行了光伏组件技蓄电池容量的模拟设汁。

    此例中选用深放电的铅酸蓄电池，即在25℃时放电深度为80％。根据该地的无日照时间和月平均最低温度，可取蓄电池的自给天数为6天，由式(3)可得出放电小时率为59.5小时，由图2可查得小时修正后的蓄电池容量为70％，由式(5)可得放电深度为61％。蓄电池的额定容量为200A.h，库仑效率为86％。由图4可知，发电系统的初始成本和总成本随着蓄电池容量的增加而增加，蓄电池每增加6@200A.h，其总成本增加3％。蓄电池的放电深度随容量的增加而减小。当蓄电池容量为72@200A.h时，在无日照6天后其放电深度约为60％，小于蓄电池的允许放电深度61％，蓄电池不会过放电。由式(6)计算出的蓄电池的容量也为72@200A.h，与图4一致。

    从图5可以看出，随着光伏组件功率的增大，系统的总成本和发电量都随之上升。光伏组件功率每增加0.lkW，总成本约增加3.7％，发电量约增加72％。

    由图6可知，在用户用电负荷不变的条件下，随着月平均日辐照量的增加，光伏组件的容量下降，发电总成本相应地下降。当月平均日辐照量达到或超过3.8kW／m2／d时，所需的光伏组件的容量达到最小值0.9kW，发电成本也达到最低。

    系统的失电小时TK的不同决定了负荷覆盖率的不同。图7为系统在不同的负荷覆盖率，即不同的失电小时TK下，光伏组件与蓄电池之间的变化关系。随着负荷的覆盖率的上升(失电小时数的减小)，光伏组件和蓄电池的容量增加。通过图7可知，在月平均辐照量最低的12月份，若要保证系统98％的负荷覆盖率(失电小时数为8h／年)，蓄电池为72@200A.h，光伏组件的容量为2.0kW。此值与通过式(7)汁算得出的光伏组件容量1.9kW相近。  

    五 小结

    一个好的小型户用光伏发电系统不仅要成本低而且要负荷覆盖率高，即失电小时要小。小型户用光伏发电系统中，光伏组件每增加O.1kw，发电系统成本约增加37％，蓄电池容量每增加1200A.h，总成本约增加3％。所以根据光伏系统安装地点的太阳能资源(如太阳月平均日辐照量、最大的无日照时间、一年中最低的温度以及用户允许的最大失小时数)合理地选择光伏组件和蓄电池的容量，即可实现发电系统成本最低，并能保证系统运行的优化。