分布式家用光伏方案设计及投资回报案例分析

　　光伏发电特指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

　　分布式光伏发电具有以下特点：

　　1、是输出功率相对较小。一般而言，一个分布式光伏发电项目的容量在数千瓦以内。与集中式电站不同，光伏电站的大小对发电效率的影响很小，因此对其经济性的影响也很小，小型光伏系统的投资收益率并不会比大型的低。

　　2、污染小，环保效益突出。分布式光伏发电项目在发电过程中，没有噪声，也不会对空气和水产生污染。

　　3、能够在一定程度上缓解局地的用电紧张状况。但是，分布式光伏发电的能量密度相对较低，每平方米分布式光伏发电系统的功率仅约100瓦，再加上适合安装光伏组件的建筑屋顶面积有限，不能从根本上解决用电紧张问题。

　　4、可以发电用电并存。大型地面电站发电是升压接入输电网，仅作为发电电站而运行；而分布式光伏发电是接入配电网，发电用电并存，且要求尽可能地就地消纳。

　　设计原则

　　一)合理性

　　由于分布式光伏发电系统也是属于光伏电站的一种，所以其设计、施工均需满足国标《GB50797-2012光伏发电站设计规范》的要求，将根据其对项目站址选址、太阳能发电系统、电气部分、接入系统进行合理性设计。

　　二)安全性

　　设计的光伏系统需安全可靠，防止意外情况造成的人身意外伤害与公共财产的损失。光伏系统的安装施工纳入建筑设备安装施工组织设计，并制定相应的安装施工方案和特许安全措施；

　　三)美观性

　　对光伏方阵与地面上的土建房屋等进行统一设计，美观大方，实现整体协调。

　　四)高效性

　　优化设计方案，尽可能的提高光伏系统的整体发电效率，减少不必要是能耗损失。达到充分利用太阳能、提供最大发电量的目的。

　　五)经济性

　　作为光伏项目，在满足光伏系统外观效果和各项性能指标的前提下，最大限度的优化设计方案，合理选用各种材料，把不必要的浪费消除在设计阶段，降低工程造价，为业主节约投资。

　　系统设计

　　本方案屋顶有效面积约30m2，采用260Wp光伏组件12块组成，共计建设3.12KWp屋顶分布式光伏发电系统。系统采用1台3KW光伏逆变器将直流电逆变为220V交流电，接入220V线路送入户业主原有室内进户配电箱，再经由220V线路与业主室内低压配电网进行连接，即可送电进入市电网。

　　项目所处地理位置

　　本项目所在地红安县位于湖北省东北部大别山南麓，东邻黄冈麻城，西接孝感大悟，南临武汉黄陂，北接河南信阳，县城距省会武汉80公里。地跨东经114°23′—114°49′，北纬30°56′—31°35′之间。全县国土总面积为1796平方公里，辖12个乡镇场，396个行政村，人口66.36万人，其中农村人口52.9万人，城镇人口13.46万。

　　红安县地势北高南低，海拔高度一般为200米。县东北部为山区，坡度15°—40°，最高点为县北的老君山，海拔840.5米。县境最低处是南部的太平桥镇与新洲县交界的倒水河畔杜家湾，海拔仅30米。

　　红安县南部多丘陵，坡度5°—20°。全县河谷平原少，为半山半丘陵地区。属亚热带季风气候，年平均气温为15.7℃，最高气温为41.5℃，最低气温为-14.5℃。全县无霜期平均为236.4天；全县年平降水量为1116.2毫米，夏季降雨量占年总雨量的一半，年平降雪日为8.3天，年平相对湿度77%，年平均风力3级。年均总日照为1998.8小时，占可照时数45%，属于太阳能资源三类可利用地区。

项目地气象数据(美国NASA气象局提供)

　　光伏组件选型

　　本项目选用260P-60多晶硅太阳电池组件产品，额定功率260Wp。其主要性能参数如下表所示：

表1.选用的光伏组件产品参数

　　光伏并网逆变器选型

　　根据本项目业主为居民分布式，电网入户电压为AC220V,故选用单相光伏逆变器。其主要性能参数如下表所示：

　　站址的选择

　　对于居民及家用分布式光伏发电系统而言，其站址一般选在居民屋顶或空旷地面之上，故在此暂不考虑大范围上的自然条件(太阳辐射量、地理位置、交通条件、水源)和接入电网条件(接入点的距离、接入点的间隔等)。

　　环境影响更能直接影响到居民及家用分布式光伏发电系统的选址，其关键要素如下：

　　A. 有无遮光的障碍物(包括远期与近期的遮挡)

　　B. 盐害、公害的有无

　　C. 冬季的积雪、结冰、雷击等灾害

　　本案安装在业主屋顶，周围无高大建筑物，在设计布局时无需对此进行阴影分析。

　　光伏最佳方阵倾斜角与方位

　　为了保证本项目收益最大化，并且也为了组件安装简便与效果美观，通过专业光伏模拟软件分析得出，此地的最佳太阳能倾斜角度为 26 度，及朝正南向倾斜26度安装。这样可保证系统发电量在全年周期中的最大化。

　　另考虑到光伏支架强度、系统成本、屋顶面积利用率等因素。在保证系统发电量降低不明显的情况下(降低不超过1%)尽可能降低光伏方阵倾斜角度，以减少受风面做到增加支架强度，减少支架成本、提高有限场地面积的利用率。

　　经分析得出，本项目建议倾斜角约为17度左右(屋面正南面倾斜角度)。

　　光伏方阵前后最佳间距设计

　　为了追求太阳能发电系统全年的最佳发电量并尽可能的提高屋面利用率，我们在此要求在冬至日(每年的12月22日或12月23日)当天9:00至15:00，光伏方阵列不会互相遮挡，此时的前后间距即为最佳间距。

　　经专业PV软件模拟可知，光伏方阵倾斜角度17度，组件阵列与阵列间最低点间距保持在5M，冬至日当天9:00至15:00，光伏方阵列基本不会互相遮挡。

　　光伏方阵串并联设计

　　分布式光伏发电系统中太阳能电池组件电路相互串联组成串联支路。串联接线用于提升集电系统直流电压至逆变器电压输入范围，应保证太阳能电池组件在各种太阳辐射照度和各种环境温度工况下都不超出逆变器电压输入范围。

　　考虑到适用于晶体硅电池的逆变器最大直流电压(最大阵列开路电压)为550V，最大功率电压跟踪范围为70~550V,MPPT路数为1路/1并。

　　对于本项目选用12块260W多晶硅太阳电池组件，每个太阳电池组件额定工作电压为31.2V，开路电压为38V，串联支路太阳电池数量初步确定为12个。

　　在环境温度为25±2℃、太阳辐射照度为1000W/m2的额定工况下，12个太阳电池串联的串联支路额定工作电压为374.4V，开路电压456V，均在逆变器允许输入范围内，可确保正常工作。

　　在工况变化时考虑在平均极端环境温度为-10℃时，太阳能电池组件串的最大功率点工作电压为12×31.2×(0.35%×35+1)=420.3V，满足550V最高满载MPPT点的输入电压要求；在极端最高环境温度为42℃时，太阳能电池组件的工作电压为12×31.2×(-0.35%×17+1)=352.1V，满足70V最低MPPT点的输入电压要求。考虑系统电压线损为2%，可以看出上述方案完全满足使用要求。

　　经上述校核，确定串联支路太阳电池数量为12。

　　电气系统设计

　　根据光伏组件选型、光伏并网逆变器选型、光伏方阵串并联设计等，结合业主低压接入情况，对本案光伏发电进行电气系统设计，如下图所示：

　　防雷接地设计

　　太阳能光伏并网发电系统的基本组成为： 太阳电池方阵、 光伏汇流箱、箱变和逆变器等。太阳电池方阵的支架采用金属材料并占用较大空间且一般放置在开阔地， 在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏， 并且太阳电池组件和逆变器比较昂贵， 为避免因雷击和浪涌而造成经济损失， 有效的防雷和电涌保护是必不可少的。 太阳能光伏并网电站防雷的主要措施有：

　　外部防雷装置主要是避雷针、 避雷带和避雷网等， 通过这些装置可以减小雷电流流入建筑物内部产生的空间电磁场， 以保护建筑物和构筑物的安全。太阳能光伏发电设备和建筑的接地系统通过镀锌钢相互连接， 在焊接处也要进行防腐防锈处理， 这样既可以减小总接地电阻又可以通过相互网状交织连接的接地系统可形成一个等电位面， 显著减小雷电作用在各地线之间所产生的过电压。

　　水平接地极铺设在至少 0.5m 深的土壤中(距离冻土层深 0.5m )， 使用十字夹相互连接成网格状。同样，在土壤中的连接头必须用耐腐蚀带包裹起来。

　　针对本案光伏发电系统，防雷设计包括外部防雷装置(接地引下线)和内部防雷装置(浪涌保护)，如下图所示：

　　防雷设计说明：

　　外部防雷：将露天安装的光伏方阵构件(方阵支架、组件等金属外壳部件)利用接地水平接地极与屋顶原有防雷带有效连接。

　　内部防雷：将光伏并网逆变器交流输出端，零线、火线与地线之间加装Ⅱ级浪涌保护器，浪涌保护器接地端利用接地水平接地极与接地网(原有或新建)有效连接。

　　光伏供电系统发电量统计

　　系统效率计算：

　　考虑到光伏组件功率的衰减，未来25年发电量预计：

　　收益分析

　　主要依据有：

　　1)《建设项目经济评价方法与参数(第三版)》(国家发改委和建设部2006年7月颁发)、《国务院关于固定资产投资项目试行资本金制度的通知》，以及国家现行的有关政策；

　　2)湖北省相关政策；

　　3)国家现行贷款利率、有关财税制度及规定。

　　本工程静态总投资2.81万元，计算期20年，其中建设期1个月，运行期20年。资本金比例为100%本金，计算基准年为第一年，基准点为第一年年初。折旧年限为20年，残值率为5%。

　　本次财务评价中其它参数，参照国家相关财务规定或行业规范取值。

　　注：对于居民小型分布式发电，国家采取免收增值税的优惠政策。

　　本项目总装机容量3.12KWp,20年累计发电量63690KWH,采取自发自用余电上网模式，自用电比例为70%。资本金内部收益率为6.37%，投资回收期限7.76年。

　　节能减排

　　本项目建成后，3.12KW光伏电站年发电量3123kwh(25年计算)，平均每千瓦时(即每度)火力供电需煤耗为350g标准煤(理论值)计算，节能减排如下表所示：

　　3KW屋顶分布式光伏扶贫项目总投资2.81万元，年发电量约3184度，年创收约0.32万元。

　　因此，分布式家用光伏不仅具有投资收益稳定、节能减排效果好的优点，更能有效解决贫困人口实际收入问题，真正实现精准脱贫。