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引言 当前我国正面临着一场能源危机，需要大量的可再生能源作为常规能源的补充。相比其他可再生能源，光伏发电的利用最为方便。目前国际上有许多国家都在对光伏发电进行研究，包括光伏屋顶、光伏电站等，近年来，国家和地方政府出台大量政策扶持光伏产业，特别是居民光伏屋顶的项目，光伏发电正在飞速发展。可以预见，在不久的未来，光伏发电将作为一种分散的电源输入电网，取代部分常规能源。 1.光伏发电原理及特性 1.1太阳能光伏发电原理 目前，太阳能光伏面板主要分为多晶硅、单晶硅和薄膜三种类型。光伏面板表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。 以硅半导体为例，对太阳能光伏电池的工作原理加以说明。 当N型硅和P型硅结合时，N型区的电子扩散到P型区，P型区的空穴扩散到N型区，此时，P型带正电，N型带负电，在硅半导体内部产生电场。 当太阳光照在半导体P-N结上时，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N型区流向P型区，电子由P型区流向N型区，当接通电路后就形成电流。 1.2光伏电池的特性 (1)波长0.45μm的蓝光拥有高吸收率，为105cm-1，也因此它在非常靠近顶端表面处被吸收。 (2) 波长0.8μm的红光的吸收率103cm-1，因此其吸收长度更深一些。 (3) 1.1μm红外光的吸收率为103cm-1，但是它几乎不被吸收因为它的能量接近于硅材料的禁带宽度。 2.光伏屋顶系统的应用 2.1光伏与建筑的结合有如下两种方式 一种是建筑与光伏系统相结合，把封装好的的光伏组件（平板或曲面板）安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，组成光伏发电系统。 另外一种是建筑与光伏器件相结合，是将光伏器件与建筑材料集成化，即光伏建筑一体化，如将太阳能光伏电池制作成光伏玻璃幕墙、太阳能电池瓦、太阳能防水卷材等。 3.5KW屋顶光伏电站年发电量计算（以肇庆为例）： 3.1 5KW屋顶光伏电站所需电池板面积 一块235W的多晶电池板面积1.65×0.992=1.6368㎡ 5KW需要5000/235=21.27块电池，电池板总面积1.6368×21.27=35㎡ 3.2年平均太阳辐射总量计算（表1） 表1 肇庆倾角等于当地纬度斜面上的太阳总辐射月平均日辐照量H  由于太阳能电池组件铺设斜度正好与当地纬度相同，所以在计算辐照量时可以直接采用表中所列数据(2月份以28天记)。 结算结果为55555.339 MJ/(m2·a) 3.3理论年发电量计算 理论年发电量=年平均太阳辐射总量×电池总面积×光电转换效率=5555.339×35×17.5% =34026.5MJ=34026.5×0.28KWH=9527.41KWH =9527度 注：主流光伏面板的光电转换效率平均为17.5%； 1MJ=0.28KWH。 3.4实际年发电量计算 （1）太阳电池板输出的直流功率是太阳电池板的标称功率。在现场运行的太阳电池板往往达不到标准测试条件，输出的允许偏差是5％，因此，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.95的影响系数。 （2）随着光伏组件温度的升高，组f：l二输出的功率就会下降。对于晶体硅组件，当光伏组件内部的温度达到50-75℃时，它的输出功率降为额定时的8 9％，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.89的影响系数。 （3）光伏组件表面灰尘的累积，会影响辐射到电池板表面的太阳辐射强度，同样会影响太阳电池板的输出功率。据相关文献报道，此因素会对光伏组件的输出产生7％的影响，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.93的影响系数。随着另外，还有光伏组件的不匹配性和面板间连线损失等，这些因素影响太阳电池板输出功率的系数按0.95计算。并网光伏电站考虑安装角度因素折算后的效率为0.88。 所以实际发电效率为：0.95×0.89×0.93×0.95 ×0.88=65.7％ 3.5 5KW系统实际年发电量 实际年发电量=理论年发电量×实际发电效率 =9527×65.7% =6259度 4.投资收益分析： 目前，每千瓦的电池组件占地面积在10m2 左右，电站设备投资成本约为8至12元/kW，假设一个5kW规模的家庭式光伏电站，总投资6万元左右，占地面积约40至50 m2 ，一年发电量6259KWH。每年自发自用电量10KWH/天×365天=3650KWH 投资收益如下： （1）政府补贴：0.42元/KWH×6259KWH=2628.78元 ； （2）节省电费：0.7元/KWH × 3650KWH = 2555元（肇庆地区居民第一阶梯电价为0.7元/KWH）； （3）售电收益：0.4505元/KWH × （6259-3650）KWH = 1175.35元（广东地区燃烧标杆电价为0.4505元/KWH）； （4）收益合计：6359.13元。 回本时间：60000 元÷6359.13元＝9.4年，即收回成本时间约9年半。如考虑设备检修维护成本，回收时间约10年。 从以上成本分析看出，政府补贴占总收益的41%，如果缺少补贴，回收周期长达16年，将极大的打击投资积极性。另外，售电收益也受到政策制约，近年来，由于受燃煤价格的影响，标杆电价呈下降趋势，也将影响光伏发电的收益。同时，选购光伏设备时也应注意产品质量，避免后期发生大额维护费用。 5. 结束语 太阳能屋顶光伏发电工程对于优化能源战略、改善电源结构、提高电源保障、节能减排、提高环境质量是非常有利的。本文对太阳能光伏发电原理及特性进行探讨，为今后开展屋顶光伏发电系统设计提供参考。此外通过肇庆实例对投资经济效益的分析可以看出，虽然屋顶光伏发电系统的一次投资比较大，但是能享受政府投资补贴的优惠政策，同时，光伏发电可以减轻矿物能源燃烧给环境造成的污染，带来巨大的社会效益和经济效益。 |
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