小型戶用系統(tǒng)的成本分析
一 引言
自20世紀(jì)80年代以來(lái)，伴隨著太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用，光伏產(chǎn)業(yè)成為世界上增比最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之—，隨著世界各國(guó)對(duì)可再生能源的重視和太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在以一日千里的速度迅猛發(fā)展，尤其對(duì)于那些居住分散，交通不便，很難通過(guò)延伸公共電網(wǎng)來(lái)解決用電問(wèn)題的地區(qū)，都是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)巨大的潛在市場(chǎng)。
然而，在一些小型用戶的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常存在這樣的一些問(wèn)題：如為迎合造價(jià)低廉的要求，設(shè)汁容量明顯不足；盲目追求高可靠性，要求完全不能停電，大大增加了投資費(fèi)用。蓄電池容量偏大，不但增加了投資，造成了浪費(fèi)，還容易形成充電不足。本文根據(jù)小型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)影響其發(fā)電系統(tǒng)的成本的主要因素進(jìn)行了分析，在滿足負(fù)載覆蓋率的前提下，保證系統(tǒng)的優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性。
二 光伏發(fā)電系統(tǒng)成本分析
光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命周期成本C為：
C=Cs W?+Cbb (1)式中：Cs為光伏組件的單價(jià)(元／kWh)；W為太陽(yáng)電池峰瓦數(shù)；Cb為蓄電池的單價(jià)；b為蓄電池的容量。
系統(tǒng)的約束函數(shù)為：LOLH(w，b)=TK (2)式中:TK為用戶允計(jì)的失電小時(shí)敉：LOLH(w,b)為在失電小時(shí)數(shù)為T(mén)K的情況下，太陽(yáng)電池峰瓦數(shù)Wc和蓄電池總?cè)萘坎籦之間的關(guān)系。
由上式可見(jiàn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本與光伏組件和蓄電池的容量有著線性的關(guān)系，并受失電小時(shí)數(shù)的約束。
三 成本影響因素分析
1 蓄電池的容量
在進(jìn)行蓄電池容量設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)綜合考慮光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)和負(fù)載允許的最大失電小時(shí)數(shù)來(lái)確定蓄電池的自給天數(shù)。此外蓄電池容量還與蓄電池的放電率和環(huán)境溫度有關(guān)。
(1)蓄電池的放電率對(duì)容量的影響
蓄電池的容量隨著放電率的降低相應(yīng)增加。式中：S為蓄電池的平均放電率(h)：D為自給天數(shù)，Pi為負(fù)載功中(w)；Ti為負(fù)載工作時(shí)間(h)；DOD為蓄電池的最大放電深度。
由蓄電池放電率和工作溫度可查出容量修正系數(shù) 1。
(2)環(huán)境溫度對(duì)蓄電池的影響
蓄電池的容量：式中：Ld為一天累計(jì)和負(fù)載電量(kwh)；D為自給天數(shù)，L為衰減率；N為電池個(gè)數(shù)；Vb為標(biāo)稱蓄電池電壓(V)，鉛酸蓄電池的場(chǎng)合為2Vt, 1為蓄電池電壓受放電率影響的容量修正系數(shù)。由于當(dāng)蓄電池溫度下降時(shí)，蓄電池的容量會(huì)下降。其變化趨勢(shì)如圖3所示。
受溫度的影響，蓄電池的最大放電深度為：
DODb=DODx[1十a(chǎn)(t-25)]
(5)式中：a為蓄電池溫度系數(shù)(1/℃)。蓄電池的容量可修正為：
2 光伏組件的容量
太陽(yáng)電池組件容量的計(jì)算公式：式中:EL為一年中負(fù)載消耗的電量(所需電量)(kwh／年)；Pas為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(AM1.5，日照強(qiáng)度為1000W／m2，太陽(yáng)電池單元溫度為25℃)的太陽(yáng)電池陣列的輸出(A?h)； 2為光伏組件的輸出效率；T為太陽(yáng)電池組件的峰值小時(shí)數(shù)。太陽(yáng)電池組件的峰值小時(shí)數(shù)的估算方法為T(mén)=I
四 實(shí)例計(jì)算與分析
以內(nèi)蒙古自治區(qū)蘇尼特右旗(北緯42度28分，東經(jīng)112度57分)的一個(gè)光伏戶用系統(tǒng)為例，日耗電量約為2.0度，一年中允許的失電小時(shí)數(shù)為8小時(shí)，即負(fù)荷覆蓋率為98％。該地太陽(yáng)能資源的氣象資料效據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)上表，可以計(jì)算出蘇尼特右旗的水平面的年平均輻照總量為1.59MWh／m2／yr。其安裝傾角采取一年調(diào)整兩次的方法，即4—9月份為30度，其它月份為60度?？傻玫絻A斜安裝的光伏組件上的年平均輻照總量為2.0MWh／m2／yr。由±：該地在12月份的月平均日輻照最小，該光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，以此月為基礎(chǔ)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了光伏組件技蓄電池容量的模擬設(shè)汁。
此例中選用深放電的鉛酸蓄電池，即在25℃時(shí)放電深度為80％。根據(jù)該地的無(wú)日照時(shí)間和月平均最低溫度，可取蓄電池的自給天數(shù)為6天，由式(3)可得出放電小時(shí)率為59.5小時(shí)，由圖2可查得小時(shí)修正后的蓄電池容量為70％，由式(5)可得放電深度為61％。蓄電池的額定容量為200A.h，庫(kù)侖效率為86％。由圖4可知，發(fā)電系統(tǒng)的初始成本和總成本隨著蓄電池容量的增加而增加，蓄電池每增加6@200A.h，其總成本增加3％。蓄電池的放電深度隨容量的增加而減小。當(dāng)蓄電池容量為72@200A.h時(shí)，在無(wú)日照6天后其放電深度約為60％，小于蓄電池的允許放電深度61％，蓄電池不會(huì)過(guò)放電。由式(6)計(jì)算出的蓄電池的容量也為72@200A.h，與圖4一致。
從圖5可以看出，隨著光伏組件功率的增大，系統(tǒng)的總成本和發(fā)電量都隨之上升。光伏組件功率每增加0.lkW，總成本約增加3.7％，發(fā)電量約增加72％。
由圖6可知，在用戶用電負(fù)荷不變的條件下，隨著月平均日輻照量的增加，光伏組件的容量下降，發(fā)電總成本相應(yīng)地下降。當(dāng)月平均日輻照量達(dá)到或超過(guò)3.8kW／m2／d時(shí)，所需的光伏組件的容量達(dá)到最小值0.9kW，發(fā)電成本也達(dá)到最低。
系統(tǒng)的失電小時(shí)TK的不同決定了負(fù)荷覆蓋率的不同。圖7為系統(tǒng)在不同的負(fù)荷覆蓋率，即不同的失電小時(shí)TK下，光伏組件與蓄電池之間的變化關(guān)系。隨著負(fù)荷的覆蓋率的上升(失電小時(shí)數(shù)的減小)，光伏組件和蓄電池的容量增加。通過(guò)圖7可知，在月平均輻照量最低的12月份，若要保證系統(tǒng)98％的負(fù)荷覆蓋率(失電小時(shí)數(shù)為8h／年)，蓄電池為72@200A.h，光伏組件的容量為2.0kW。此值與通過(guò)式(7)汁算得出的光伏組件容量1.9kW相近。
五 小結(jié)
一個(gè)好的小型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅要成本低而且要負(fù)荷覆蓋率高，即失電小時(shí)要小。小型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件每增加O.1kw，發(fā)電系統(tǒng)成本約增加37％，蓄電池容量每增加1200A.h，總成本約增加3％。所以根據(jù)光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源(如太陽(yáng)月平均日輻照量、最大的無(wú)日照時(shí)間、一年中最低的溫度以及用戶允許的最大失小時(shí)數(shù))合理地選擇光伏組件和蓄電池的容量，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)成本最低，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化。
