伍 云 帆

(重庆市第一中学，重庆 400030)

0 引言

随着石油及煤炭的大量开发，能源危机日益加重，对环境造成的危害也越发不容小视，因而对新能源的开发已迫在眉睫，尽可能用清洁能源取代传统的矿物能源，是新能源发展应该遵循的原则。而太阳能作为一种可再生资源，清洁无污染，取之不尽，用之不竭，符合我国的环保、节能政策，正被国家大力提倡。

1 家庭太阳能光伏发电的发展前景

通常所说的家庭太阳能光伏发电往往特指分布式光伏发电，即在用户场地附近建设，运行方式以用户侧自发自用、多余电量上网，且在配电系统平衡调节为特征的光伏发电设施。目前我国应用较为广泛的分布式光伏发电系统，就是建设在楼宇屋面的微型光伏电站，以家庭用户为单位的光伏发电形式。

我国政府已将光伏产业发展作为能源领域的一个重要方面，并纳入了国家能源发展的基本政策中，已先后确立了一系列相关制度和措施，支持光伏用户发电并网，优惠电价，发放补贴，并在光伏建设贷款等方面给予光伏产业种种优惠，鼓励光伏产业发展。2017年国家出台的《电力发展“十三五”规划》更是对分布式光伏设定了超常规发展目标，提出2020年分布式发电要达到70 GW，而到目前为止，分布式累计安装量还不到10 GW。种种迹象显示，分布式光伏尤其是家庭分布式光伏无疑是巨大的市场，即将迎来快速发展期。

2 家庭太阳能光伏发电系统原理及分类

2.1 家庭光伏发电基本原理

光伏发电是通过太阳电池板利用半导体的光生伏特效应，即太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴—电子对，在P-N结内建电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后形成电流，见图1。

2.2 家庭光伏发电系统分类

根据是否与公共电网并网，家庭光伏发电系统可分为家庭独立光伏发电系统、家庭并网光伏发电系统。

2.2.1独立离网光伏发电系统

家庭独立光伏发电系统即离网光伏发电系统，与公共电网无直接联系，主要由太阳能电池组件、蓄电池、控制器构成，若要为交流负载供电，还需要配置逆变器将直流电转换为交流电。这类系统适用于太阳能资源丰富、无传统电网或经常停电的地区，也适用于城市中铺设线路困难且成本较高的场所，见图2。

2.2.2家庭并网光伏发电系统

家庭并网光伏发电系统是通过逆变器将光伏电池板发的直流电变换为交流，经过相位整合后同电网的交流电合起来使用。主要由光伏电池板、逆变器、交流保护开关箱和电表组成。主要特点是用户可将所发电直接输送至电网，一般情况下无需蓄电池及控制器，降低了设备成本。相比独立光伏发电系统，该类系统适用于已普及传统电网的地区，现国家大力倡导的分布式光伏发电便属于并网系统，见图3。

3 家庭光伏发电的主要部件

3.1 太阳能电池板组件

太阳能电池板是由多个太阳能电池按一定方式组装在一块板上的组装件，通常作为光伏方阵的一个单元。组件作为室外安装发电设备，是光伏系统的核心部分，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池板组件使用价值的重要因素。传统的太阳能电池板可分为单晶硅、多晶硅两大类，由于多晶硅片生产能耗低，生产过程无污染，且与单晶硅片相比价格相对低廉，投资更为经济，因而在家庭光伏发电中被广泛使用。

3.2 蓄电池

蓄电池为独立光伏发电系统的必需设备，作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。由于在家庭使用过程中蓄电池经常处于频繁的充、放电状态，因此要求蓄电池具有良好的深循环能力，且能适应不同的环境，如高温、低温、高海拔等，在使用中应将蓄电池置于阴冷通风处，并尽量避免太阳直晒。目前国内被广泛使用的主要是铅酸免维护蓄电池、胶体蓄电池两类。

3.3 控制器

控制器也为独立光伏发电系统的必需设备，由专用处理器、电子元器件、显示器等组成，作用是控制蓄电池的准确充、放电以及对负载电路进行保护，并具有简单的指示功能、协议通讯功能。如不需要将白天发的电储存至晚上使用，并网光伏发电系统则不需要设置蓄电池及控制器。

3.4 逆变器

由于光伏发电技术产生的电流为直流电，而日常生活中的设备大部分采用的是220 V,50 Hz的交流电，逆变器的工作就是将直流电转化为家用的交流电。逆变器种类繁多，因此在选择机种和容量时需特别注意，转换的电压应与蓄电池或电网匹配。除此之外，还应具备一定的带载能力、保护能力以及绝缘能力。

4 重庆家庭光伏发电系统可行性及经济分析

本文以重庆为例，对目前国家大力提倡的家庭分布式并网光伏发电系统进行粗略的可行性及经济分析。

4.1 重庆太阳能资源

重庆属亚热带季风性湿润气候，四季划分明显。年日照时数1 000 h～1 400 h，日照百分率为25%～35%，冬、春季日照少。根据国家太阳能光热标准图集(建质【2006】281号)明确，重庆地区10年期平均日照强度为3 636 MJ/m2。按照QXT 98—2008太阳能资源评估办法，以太阳能总辐射的年总量为指标，进行太阳能资源丰富等级评价，重庆属于太阳能资源一般地区，年日照总量为1 600 h，可以建设屋顶太阳能光伏发电系统。

4.2 重庆光伏资源政策

根据重庆市发展与改革委员会、重庆市能源局自2016年至今给予公开回复及颁布政策，重庆市支持太阳能发电分布式光伏项目。其次，重庆地区现有执行的补助政策，是根据国家发改委2018年度批准实施的分布式光伏发电补贴政策执行，政策采用全电量补贴，即以光伏发出实际电量为准，每度电补助0.37元/度。

4.3 家庭用电需求及发电量

根据常规用电指标，住宅以50 W/m2计算电力负荷，以建筑面积140 m2的住宅为例，家庭用电需求约为7 kW。

按重庆标准日照时间每年1 600 h，系统综合效率80%(一般取值为75%～85%)计算，安装容量7 kW的家庭年发电量约为8 960度，日发电量约为24度。

4.4 投资收益估算

4.4.1投资成本估算

从全国范围来看，目前太阳能光伏发电的成本为6元/W～8元/W。本文取上限值，按照8元/W计算，装机容量7 kW的家庭太阳能光伏发电的投资成本为5.6万元，该费用包含了设计、设备、施工及并网等。

4.4.2收益估算

按照自发自用，余电上网的并网模式，家庭光伏发电的收益主要包含以下两部分：

1)政府补贴收入。按照现行的每度电补助0.37元/度的国家政策，年补贴收入为0.37×8 960=3 315.2元。

2)节省的电费。家庭用电自发自用，无需再从电力公司购买，按全额用完考虑，避免电费支出0.52×8 960=4 659.2元。(未考虑阶梯电价，电价按0.52元/度计算)。

综上，年度总收益为3 315.2+4 659.2=7 974.4元。

4.4.3结论

按照上述粗略计算，重庆地区装机容量7 kW的家庭太阳能光伏发电系统的投资成本为5.6万元，年收益为7 974.4万元，约7年收回成本。光伏发电系统的使用年限一般为25年，收回成本后可免费用电并获得收益，因此家庭光伏发电在重庆是可行的。

5 家庭太阳能光伏发电存在的问题

近几年，在国家政策的指引下，我国光伏产业应用蓬勃发展，但同时还存在众多制约行业持续发展的突出问题。

5.1 所处地域太阳能资源的限制

我国大部分地区年日照时数大于2 000 h，年平均辐射量在5 000 MJ/m2以上，太阳能资源丰富，此类地区尤其适合发展家庭光伏产业。但仍存在部分地区由于太阳辐射资源的原因，家庭光伏产业发展受限。对于太阳资源条件较差的区域，建设家庭光伏发电系统的利用价值较低，因此限制了光伏发电技术在全国范围内的普及。

5.2 受物理空间的限制

首先，建设家庭光伏电站对建筑形式和所占空间面积有一定要求，电站每千瓦需要10 m2左右的光伏板，本文中的案例装机量7 kW需要约70 m2，且对安装角度有一定限制，较为适合在屋顶安装，而我国屋顶属业主共有，这点与国外有很大不同，国外大部分房屋是小别墅，屋顶产权清晰，安装方便，而我国城市居民楼多为高楼，屋顶资源与电力用户资源严重不匹配，难以实现家家户户安装光伏电站。

5.3 经济效益依赖补贴，收益结算滞后

光伏发电项目按照国家有关政策给予发电业主补贴，除国家补贴外，部分地方政府也有相应的补贴支持，而部分地区无地方性补贴，居民受益难以确保，导致光伏推广速度缓慢。更有部分地区存在补贴发放不及时，发放周期较长的情况，造成用户资金压力。此外，国家逐年下调光伏发电补贴标准，一些地方性补贴也逐渐消失取消，补贴下降速度远超预期，用户收益下降，支持光伏产业的热情减退。

5.4 光伏行业准入机制欠完善，质量难以保证

我国光伏市场起步不久，有光伏行业品牌企业进入，也有许多专业实力弱的企业进入，出现了信用资质、产品品质、售后服务等方面参差不齐，部分经销商、代理商、集成安装商以次充好，安装操作不规范，利用民居对光伏产品安装和售后服务缺乏了解，用低价吸引居民的情况，质量难以保证，造成一定安全隐患，且系统效率大大降低。

6 结语

虽然家庭光伏发电的发展过程中仍有不少问题需待解决，诸多方面有待完善，但任何新生事物的发展道路都不会是一帆风顺，推广家庭光伏发电业一定也会是一条艰辛曲折的道路。从全国范围内光伏装机容量逐年攀升的数据来看，家庭光伏发电应用将会越来越广泛这是毋容置疑的。目前我们已经从不知到认知，并从发展应用中发现了问题进而研发解决问题，相信家庭光伏发电未来的市场仍然很广阔，光伏产品会越来越多地嵌入屋面瓦，玻璃幕墙、门窗等功能性传统建筑材料里，光伏产业之路会越走越宽。