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能源研究与管理20男女情歌对唱 19（3）

节能技术

收稿日期：2019-06-03

基金项目：翩翩起舞造句 兰州城市学院本科生科研创新基金项目

（

2018-11）

作者简介：杜秋丽（1995—）女，甘肃庆阳人，本科在读，新能源科学与工程专业，主要从事太阳能光伏发电应用研究。

摘要：随着传统能源消耗不断增加，能源短缺及环境污染日益严重，清洁能源的开发迫在眉睫。我国冬季西北地

区农村主要使用小火炉燃煤供暖，不仅在供暖过程中存在安全隐患，而且大量使用煤炭，会严重造成大气污染。本

项目拟采用并网光伏发电系统供暖，不仅能够缓解能源短缺，还能改善大气污染。清洁能源供暖系统能够完全替代

或部分替代以煤、石油、天然气等传统能源作为动力的锅炉供暖，实现能源的可持续发展。

关键词：光伏发电qq名女生 系统；供暖；电网

中图分类号：TK511+.2文献标志码：A文章编号：1005－7676（2019）03－0105－04

DUQiuli1,GUOBiqin1,XIFuhuan2,ZHOULing2

（uCityUniversity,Lanzhou730070,China;

nstituteofPetroleumEngineering,Lanzhou730070,China）

Withtheincreaofconventionalenergyresource,theshortageofenergyandenvironmentalpollutionaregetting

ore,reasmainlyutilizesmallstovesforheatinginnorthwest

yaretheresafetyrisks,ojectplansto

adoptgrid-connectedphotovoltaicpowergenerationsystemforheating,whichcannotonlyreduceenergyshortagebutalso

ent,nergyheating

systemcancompletelyorpartiallyreplaceaboilerpoweredbyconventionalenergy,suchascoal,petroleum,naturalgasand

canachieveenergyofsustainabledevelopment.

PVpowergenerationsystem;heating;powergrid

清洁能源供暖系统设计

杜秋丽1，郭必琴1，郗复缓2，周玲2

（1.兰州城市学院，兰州730070；2.培黎石油工程学院，兰州730070）

1概述

清洁能源供暖是一种将太阳能直接转化为电能，

从而加热水给室内供暖的一种供暖方式。设计农村

户用供暖系统“光伏系统+电锅炉+网电”的供暖

方式，通过电锅炉加热给水供暖。提供冬季供暖的

同时还可为住户提供生活热水，也可使乱砍乱伐得

到遏制，从而保护生态坏境。清洁能源供暖不仅在

时间上灵活方便，而且有助于降低煤炭燃烧形成

PM

2.5相关污染物排放，改善冬季雾霾现状并降低能

源总量和碳排放量，为用户提供了一个干净舒适的

生活空间，体现“以人为本”的理念。根据所选地

区的实际情况，进行相应的调整。例如由于天气寒

冷、雨、雪、阴天气象影响以及夜间太阳能热量不

DOI：10.16冬至节气 056/j.1005-7676.2019.03.030

105窑窑

能源研究与管理2019（3）

节能技术

足时影响光伏发电系统的发电量，所以将其做成并

网发电系统，利用国家电网的电进行补充。

2太阳能光伏发电系统的简介

太阳能光伏发电是利用光生伏打效应，将太阳

能直接转换成电能。光伏发电系统有独立、并网、

混合3种发电系统。其中独立发电系统又称为离网

光伏系统。离网光伏系统主要由太阳能光伏组件、

控制器以及蓄电池组成，系统首先满足负载电能需

求，若光伏组件所发出的电能有剩余，将多余的电

量储存到蓄电池中，当电量供应不足时，将蓄电池

中的电能再释放出来，及时向负载补充。并网光伏

发电系统主要由电池方阵，并网逆变器和电网组成，

不需要蓄电池储能，通过逆变器直接将电能输送到

国家电网，不仅减少了蓄电池的使用，还能减少储

能过程和释放过程中的能量损失[1]。并网光伏发电系

统又分为大型集中式并网和小型分散式并网，大型

集中式并网发电系统大多都是国家级电站或者是和

火力发电、水利发电等相结合集中给电网供电，其

运营成本高，适用于全年光照特别丰富的地区；小

型分散式并网发电系统投资少，占地面积小，安装

和维护方便，适用于光照比较充足的地区。甘肃省

庆阳市光照较充足，故本研究采用小型分散式并网

发电系统，而且只需要给一户人家供电，组件维护

也简单方便，只需将其安装在屋顶上，还节省了占

地面积，达到“光伏建筑一体化”。

3清洁能源供暖系统设计

甘肃省庆阳市正宁县位于甘肃的东面，纬度

35.60毅，经度108.37毅，在季风区与非季风区的分界

线上，气候属于温带季风性气候，年日照小时数为

2250～2600h，此气候特点是夏季随着太阳高度

角的增加，昼长，而且昼夜温差大，温度较高，日

照时间也长，气候干燥，年太阳辐射量为8100～

9360MJ/m2，计算时年太阳辐射量取中间值8730

MJ/m2。根据

《建筑一体化光伏系统电气设计与施

工》规定：庆阳地区的固定太阳能方阵的最佳倾角

为36毅。

3.1家用负荷

以甘肃省庆阳正宁县的1个8人居住的小四合

院为例，该建筑面积为400.02m2，供暖面积152

m2。家用负荷如表1所示。

考虑到家里有吹风机、夹板、电暖灯等不常用

电器，还有家里可能会来客人，因此要在总功率基

础上加上5%的余量[2]，那么日耗电量为12kWh。

3.2电锅炉的选型

本项目选用光合公司生产的型号CF-20KWD、

电压380V、功率15kW、供暖面积160m2、外形

尺寸800mm伊400mm伊300mm、电源线配置4mm2、

采暖方式为电加热的电锅炉。

3.3逆变器的选型

并网发电系统中，逆变器是连接光伏组件和国

家电网的重要设黑米的功效与作用 备，将直流电转化为交流电的一种

转化装置。根据用户负载的实际情况和电锅炉所需

功率，计算得到负载的总功率为22175.8W，但由

于负荷的总功率大于逆变器总功率的80%，为了增

加逆变器的使用寿命，因此在选择逆变器的时候要

考虑其损耗率[3]，因此逆变器的功率逆

=(22175.8/

80%)W=27719.75W，故本设计选择30kW的逆变

器，型号为Growatt30000TL3-SE、MPPT的电压范

围450～800V、最大直流输入电压1000V。

3.4光伏组件的选型

太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。

单晶硅太阳电池的性能稳定,转换效率高达17%～

24%，适宜于太阳福照量多的地区；多晶硅的转化

效率为15%左右，适宜于太阳福照量相对少的地区；

非晶硅转化效率较低，但是它能吸收弱光，适宜于

太阳福照量少的地区。根据正宁地区的天气情况，

此系统适用单晶硅组件。本研究选用隆基厂家制造

的300W的太阳能电池，型号LR6-60PE-300。光伏

组件的参数详见表2。

3.5光伏组件的串联数和并联数范围计算

对于并网光伏发电系统，应该配有专门的并网

逆变器[4]，因此计算组件的串并联数时，应和逆变器

的参数结合在一起。根据家用负荷以及冬季供暖的

总功率，确定出了逆变器的型号，又根据甘肃庆阳

表1家蔬菜用英语怎么写 用负荷

负载名称

规格

型号

负载

功率/W

日耗电量/

(kWh)

照明灯节能灯401.44

电饭煲苏泊尔10000.19

电冰箱Rongsnd10001

手机vivo0.20.0016

电磁炉光明19001.9

铡草机鑫祥18505.2

电视机液晶1600.64

洗衣机新飞8000.34

电脑华硕2200.66

数量

日工作

时间/h

66

10.67

124

42

11

10.28

14

10.42

13

106窑窑

能礼物的英文 源研究与管理2019（3）

节能技术

地区的光照情况，确定出了光伏组件的型号。

3.5.1计算光伏组件的串联数

光伏组件的串联数s可由式(1)计算：

s臆dc,max

/{

oc

+[1+(-25)

v

]}(1)

式中：为光伏组件工作条件下的极限低温，益；v

为光伏组件的开路电压温度系数，根据厂家提供取

值为-0.330%/益；dc,max为逆变器允许的最大直流输

入电压，V；oc为光伏组件开路电压，V。代入数

据计算得s

=24。

光伏组串的工作电压应处于逆变器的MPPT的

电压范围内，即：

MPPT,min

/{

pm伊[1+('-25)v

']}臆

s臆

MPPT,max

/{

pm伊[1+(-25)v

']}(2)

式中：v

'为光伏组件的工作电压温度系数，若无厂

家提供可用v代替；'为光伏组件工作条件下的极

限高温，益；MPPT,min为逆变器MPPT电压最大值，

V；

MPPT,max为逆变器MPPT电压最小值，V；pm为

光伏组件的工作电压，V；代入数据计算得17臆s臆20。

因所选逆变器MPPT工作电压范围为450～800

V，其中间值为620V，所选光伏组件的功率是300

W，最佳输出电压为32.8V，可用18块组件串联。

3.5.2计算光伏组件的并联数

光伏组件的并联数可根据逆变器额定容量及光

伏组串的功率确定：

p臆n

/

ms

(3)

式中：p为光伏组件并联数；n为逆变器额定功

率，W；m为光伏组件峰值功率，W；代入数据计

算得p为5。

3.6组件的摆放设计

以甘肃省庆阳正宁县的1个8人居住的小四合

院为例，在屋顶安装并网光伏阵列，庆阳正宁地区

的纬度为35.6毅，并网光伏组件的最佳倾角为

36毅，女儿墙高1.2m，女儿墙内东西长21m，南北

宽15m，所用晶体硅组件由26片电池片串联，每

块功率300W，尺寸1650mm伊991mm伊40mm。

该屋顶设计安装光伏阵列如下[5]：

考虑光伏方阵，底部离开地面的高度为0.3m。

实际则要考虑女儿墙的高度=(1.2-0.3)m=0.9m，

这相当于把基准面提高了0.3m。因此，可知女儿墙

的阴影长度=兴致勃勃拼音 (0.707tan+0.4338)/(0.707-0.4338

tan)=0.9(0.707tan35.6毅+0.4338)/(0.707-0.4338

tan35.6毅)=2.11m。这样，南北方向考虑女儿墙造成

的阴影长度后实际可安装的长度为(15-2.11)m=

12.89m。

1）计算两排光伏子方阵的距离。由于光伏组件的

高度=1.50m，倾角=36毅，=cos+Lsin(0.707

tan+0.4338)/(0.707-0.4338tan)=3.578m，因此，

两排之间的距离取3.6m。光伏子方阵高度在南北方

向的投影为cos=1.33m，光伏子方阵之间的走道

宽度=(3.6-1.33)m=2.27m。这个距离安装及维修、

检修合适。

2）计算安装光伏子方阵中的排数。南北方向可

以安装的光伏子方阵排数为1

=12.89/3.6=3.58，取

整数1

=4。

3）计算每排方阵中的组件数。每块光伏组件的

宽度是0.991m，考虑到需要留有间隙和边框，宽度

以1.011m计算。屋顶东西长21m，在东西两边都

有女儿墙遮挡，因此每边留有2m空隙[1]。此外，

还要考虑东西方向长度有21m，如果全部装满，会

给安装和检修带来不便，中间应该至少留有2条宽

度为1m的检修通道。这样，东西方向可安装组件

的长度为(21-2伊2-2伊1)m=15m，东西方向可安装组

件数为2

=15/1.011=14.83，取整数15块。

4）计算安装的总功率。总功率=

1伊2伊

0

=4伊15伊300W=18000W，因为所选场地有限，最

大程度只能摆放60块光伏组件。负载功率22175.8

W是由冬季的家用负荷和冬季的供暖2部分组成，

22175.8W＞18000W，所以冬季发电量不足时向国

家电网取电，夏天发电量充分时，向国家电网供电。

3.7光伏发电系统的年发电量

光伏发电系统的年发电量与当地的太阳福照量

和系统的能效比有关，具体计算如下：

=

toP

(4)

式中：为年发电量，kWh；t为倾斜方阵面上

全年接受到的太阳总辐照量，kWh/m2，除以1kW/

表2光伏组件的参数

品牌峰值功率/W工作电压/V开路电压/V最大系统电压/V温度范围/益尺寸/mm托盘数量/片

隆基30032.840.11000-40～+851650伊991伊4026（

一托）

型号功率误差范围/W工作电流/A短路电流/A最大系统电流/A等级栅数价格/元

LR6-60PE-3000～+59.159.8115A5675

107窑窑

能源研究与管理2019（3）

节能技术

由图3和表9、表10可知，气价对项目内部收

益率影响最大。气价按照1050元/万Nm3，项目投

资方内部收益率为10.71%，大于基准收益率8%，

项目在财务上是可行的，具有比较好的经济效益。

2.4盈亏平衡点分析

盈亏分析就是测算项目投产后生产中的盈亏平

衡点，即年度天然气总收入等于总成本，利润等于

零的那一点。以生产能力表示的盈亏平衡点，表明

了不发生亏损的生产能力的最低限度，它与设计生

产能力之间的差距越大，即风险就越小[5]。

计算结果表明，该项目达到设计能力61.37%

（项目平均值），此时为不发生亏损的生产能力的最

低限度，抗风险能力较强。

3结论与建议

1）基于大型火电机组的压缩空气集中供应方

式，满足客户用气需求，符合能量梯级利用的高效

节能原则。

2）为保证压缩空气对外集中供应的可靠性，需

配置一定容量的电驱动空压机组作为备用供气来源。

3）基于大型火电机组的压缩空气集中供应方

式，项目投资内部收益率高于基准收益率，财务可

行，具有较好的经济效益。

参考文献

[1]向其凤,王文举.中国能源结构调整及其节能减排潜力评估

[J].经济与管理研究,2014(7):13-22.

[2]金红光.能的梯级利用与总能系统[J].科学通报,2017(23):

2589-2593.

[3]马昕,李珂,张承慧,等.多级压缩空气储能系统变工况

的优化运行控制[J].控制理论与应用,2019(3):436-442.

[4]李瑞,陈来军,梅生伟,等.先进绝热压缩空气空压储能变

工况运行特性建模及风储协同分析[J].电力系统自动化,

2019(11):25-34.

[5]李子峰,倪渊,王子焉.简析盈亏平衡点、成本结构和经

营风险的关系[J].价值工程,2019(2):6-8.

（上接第97页）

图3内部收益率随气价的变化曲线

气价/(元m

-3)

5.00

950

10.00

15.00

20.00

0.00

m2，即每年的峰值日照时数；o为光伏发电系统额

定功率，kW；P为系统能效比，参照IEA-PVPS联

合报告中的数据，P无子女离婚协议书

=75%；得=32737.5kWh。

3.8光伏减排CO

2

潜力

光伏减排CO2潜力M是衡量光伏发电系统减

少CO2排放量的又一个重要指标[4]，具体计算如下：

M

=

toPE

(5)

式中：E为CO2排放因子,参照IEA-PVPS联合报告

中的数据[4]

E

=681g/(kWh)；得

M

=22.294kg抑22t。

4总结与展望

1）实用性。并网取暖，避免白天发电量不足，

不能实现白天黑夜持续供暖；采用计算机进行智能

控制，利用温度感应控制装置来实现室内自动恒温，

不用担心温度起伏；晚上可以安心休息，不用担心

煤烟中毒，也可防止火灾隐患，使用户更放心。

2）环保性。此系统每年减少22t的CO

2释放；

光伏发电系统过程简单，没有机械转动部件，不消

耗燃料；以人为本、因地制宜，增强人们的生活质

量，提高建筑能效性，推动农村冬季清洁供暖。

3）经济性。太阳能取之不尽用之不竭，经济高

效；使用太阳能安全、清洁、运行稳定、安装方便，

使用寿命长达25年之久；不仅能够提供冬季4月供

暖，还能提供居民全年生活热水，多余的发电量可

以并网，产生经济效益。

清洁能源供暖户用小型系统还可以扩展到大型

集中供暖系统中，不仅能够缓解电力系统“弃风弃

光”现象，还能够实现“自产自销”的运营理念。

参考文献

[1]贺金徽.家用型屋顶光伏系统的研究[D].南昌:南昌大学,

2015.

[2]常超.光伏发电系统在家用太阳能的设计[M].湖南:湖南

大学出版社,2006.

[3]林琳.大连地区家用光伏发电系统研究[D].大连:大连春季古诗 理

工大学,2014.

[4]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].3版.北京:电子工

业出版社,2017.

[5]杨金焕,葛亮,陈中华,等.太阳能发电系统的最佳化设计

[J].能源工程,2003(5):25-28.

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