家用太陽能供電系統(tǒng)的物理技術(shù)性探討

韓瑞功

摘要隨著能源環(huán)境意識的增強和公民經(jīng)濟收入的增加，家用太陽能設(shè)備逐漸進入家庭，并且成為一種時尚的選擇。就家用太陽能供電設(shè)備技術(shù)方面的有關(guān)問題作科學(xué)性分析，以便交流、推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞家用；太陽能；供電系統(tǒng)

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-489X（2009）02-0087-02

隨著我國大力建設(shè)生態(tài)高速公路和綠色環(huán)境能源開發(fā)、建設(shè)、應(yīng)用的需要，太陽能供電成為家庭中最優(yōu)的一種選擇，并且隨著能源環(huán)境意識的增強和公民經(jīng)濟收入的增加，建設(shè)、使用太陽能已經(jīng)逐漸進入家庭，成為一種時尚的選擇。但現(xiàn)實中選擇、安裝、使用、維護太陽能存在布線麻煩、維護困難、功率選擇難以計算、受自然氣候影響大等多種因素制約。本研究是為了保障家庭太陽能供電系統(tǒng)供電可靠、運行良好、維護科學(xué)，且不給家庭及周邊造成環(huán)境影響，從而更好地適應(yīng)經(jīng)濟、社會、人民生活的要求。

1 家用太陽能供電系統(tǒng)的工作原理

太陽能發(fā)電是指利用太陽能電池這種半導(dǎo)體電子器件，有效地吸收太陽光輻射，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。從物理學(xué)知識方面講，它是太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴—電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。太陽能發(fā)電有2種方式，一種是光——熱——電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光——電直接轉(zhuǎn)換方式。它基本上由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流—交流逆變器、用電設(shè)備等部分組成。太陽能供電系統(tǒng)的工作原理是，太陽能電池組件將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能充放電控制器為中心控制設(shè)備，一方面將太陽能電池組件轉(zhuǎn)化的電能儲存在蓄電池組內(nèi)，另一方面控制蓄電池組對用電負(fù)載設(shè)備供電。如果用電設(shè)備中存在交流設(shè)備，即通常所說的220伏交流電用電設(shè)備，可通過直流—交流逆變器將直流逆變成為交流電后，向交流設(shè)備負(fù)載供電。

由于家庭中存在著大量的交流設(shè)備，如節(jié)能燈光、電冰箱、空調(diào)、電磁爐、洗衣機、熱水器等等，使用直流—交流逆變器將直流逆變成為交流電是不可缺少的。使用直流—交流逆變器不僅僅是將電能進行直流—交流逆變，重要的是通過這種設(shè)備進行電能的綜合利用，達到節(jié)約電力能源、開發(fā)電力能源的作用。

2 家用太陽能供電系統(tǒng)的技術(shù)性設(shè)計思路和要求

2.1 科學(xué)考察，保證供電系統(tǒng)的可靠性家用太陽能供電系統(tǒng)，雖然從技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但要達到科學(xué)化、節(jié)約能源、經(jīng)濟實用，還必須在安裝、使用家用太陽能供電系統(tǒng)時做到科學(xué)考察。所謂科學(xué)考察，就是能夠使家用太陽能系統(tǒng)的各部分設(shè)計都必須選擇技術(shù)性能可靠、最成熟的技術(shù)線路；必須選擇安裝水平高的供電商；必須具有完備服務(wù)體系，保證設(shè)備正常運行，及時維護，特別是在需要的時候還能夠服務(wù)于家庭電力能源的需求。

2.2 家用太陽能供電系統(tǒng)，在考慮經(jīng)濟條件的前提下，要留有發(fā)展的空間安裝家用太陽能供電系統(tǒng)，總體要求是在認(rèn)真考慮和提高供電效率的基礎(chǔ)上，盡量做到降低造價和成本。但隨著社會、經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是家庭住宅結(jié)構(gòu)的變化，在安裝家用太陽能供電系統(tǒng)時，一定要在充分考慮現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，注重發(fā)展空間，力求最大經(jīng)濟技術(shù)效益的同時，為后續(xù)家庭的建設(shè)、發(fā)展和擴容打好基礎(chǔ)。因為家用太陽能供電系統(tǒng)是一項不小的投資，技術(shù)含量高、投資大、設(shè)計繁瑣、壽命相對較長。

2.3 引進新技術(shù)、新設(shè)備對于一個家庭來說，投資太陽能供電系統(tǒng)是一項重大的科技投入，從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)到調(diào)試、運行、維護，都要將最新的技術(shù)融于一體，引進新技術(shù)、新設(shè)備。

3 家用太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)性要求

根據(jù)電力能源綜合開以的有關(guān)要求，家用太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)原則是：在保證家庭用電負(fù)荷供電需要的前提條件下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡可能減少家庭投資。工程造價是實施和完成工程的必備基礎(chǔ)，如果不從技術(shù)要求方面考慮，過多地投入一個組件，有可能會造成工程價格的急劇澎脹，造成浪費，影響到家庭未來的發(fā)展，而且還未必能滿足家庭用電的實際需求。

獨立設(shè)計一個家庭太陽能供電系統(tǒng)，可進行家庭用電負(fù)荷的預(yù)測性計算，確定蓄電池的容量，確定供電系統(tǒng)中太陽能電池方陣容量，合理選擇控制器和逆變器，同時從能源消耗和供電損耗2個方面考慮混合發(fā)電與用電中的電能損耗。

4 家用太陽能供電系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計

家用太陽能供電系統(tǒng)的技術(shù)性設(shè)計也分為軟件和硬件設(shè)計。其軟件包括太陽能電池方陣面輻射量的計算、家用電荷負(fù)載量的計算、太陽能電池和蓄電池用量的計算、太陽能電池和蓄電池用量二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計、太陽能電池方陣安裝傾角的計算、用線及電力附屬設(shè)備的用量、系統(tǒng)運行情況的預(yù)測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的發(fā)揮等。硬件包括太陽能電池和蓄電池的選擇、家用電能負(fù)載的選型及設(shè)計、逆變器的選型及容量設(shè)計、太陽能電池支架的設(shè)計及控制、測量系統(tǒng)的選型和設(shè)計。在上述眾多的技術(shù)設(shè)計中，太陽能的輻射量和安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計計算，必須通過測量、定量分析、實驗等手段通過計算來完成，切不可估算。

4.1 家用負(fù)載的計算對于家用負(fù)載的計算，是獨立太陽能光伏供電系統(tǒng)設(shè)計和定價的關(guān)鍵因素之一。通常是列出家用所有負(fù)載的名稱、功率大小、額定電壓和每天的用電時間，注意交直流負(fù)載分別列出，功率因數(shù)可以不考慮。然后將家用負(fù)載進行分類或者按電壓性質(zhì)（交、直流）分組，計算出各組的用電量以及總量，最后計算出每天平均負(fù)載電量之和。有一點應(yīng)該注意，就是線損與轉(zhuǎn)化電能的損失不容忽視。系統(tǒng)中電壓的選擇，通常是選取最大功率負(fù)載所需求的電壓。

4.2 蓄電池容量的技術(shù)確定系統(tǒng)中蓄電池容量的最佳選擇，應(yīng)綜合考慮太陽能電池方陣電量、家用負(fù)載容量及逆變器的效率等。蓄電池容量的計算方法很多，一般用串并聯(lián)電動勢公式算出即可。

因為在家用太陽能供電系統(tǒng)中不斷的電力來源是電池，而電池的容量是有限的，不斷電系統(tǒng)不會像市電一般無限制的供應(yīng)，所以不論多大容量的不斷電系統(tǒng)，在其滿載的的狀態(tài)下，其所供電的時間必定有限。若要延長放電時間，須購買長時間型不斷電系統(tǒng)中的蓄電池，不能使用一般性蓄電池。

4.3 方陣的設(shè)置技術(shù)只要根據(jù)算出的蓄電池容量，太陽能電池的電流、電壓及功率，完全可以參照供貨商提供的蓄電池和太陽能電池組件性能參數(shù)，選取合適的組件型號的規(guī)格。當(dāng)合適的組件確定之后，方陣組件的串并聯(lián)數(shù)以及總量很快也就確定了。方陣是家用太陽能供電系統(tǒng)的核心部分，是它向太陽能供電系統(tǒng)提供初始能源。如果選擇的方陣技術(shù)質(zhì)量和數(shù)量與負(fù)載不相符，會嚴(yán)重影響到家用太陽能供電的質(zhì)量，甚至損壞電器。

4.4 逆變器的選型技術(shù)逆變器的選擇，首先要考慮的是要有足夠的額定容量，以滿足最大負(fù)荷條件下設(shè)備對功率的需求。當(dāng)逆變器以多個設(shè)備為負(fù)載時，逆變器的容量要考慮幾個用電設(shè)備同時工作的可能性。其次要求逆變器具有較高的穩(wěn)定電壓性能。在家用太陽能供電系統(tǒng)中，均以蓄電池為儲備電能的設(shè)備，蓄電池端電壓的起伏可控制在正常電壓的±30%左右。這就要求逆變器必須具有較好的高壓功能，以保證家用太陽能供電系統(tǒng)有穩(wěn)定的交流電壓輸出，滿足家庭用電需要。

4.5 良好的保護家用太陽能供電系統(tǒng)在正常運行過程中，可能出現(xiàn)因家庭人員誤操作、負(fù)載故障、自然災(zāi)害等原因而引起的供電系統(tǒng)過流或短路。因為逆變器對外電路的過流及短路現(xiàn)象最為敏感，是家用太陽能供電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，所以在選擇逆變器時，必須要求它對過電流和短路有良好的自我保護功能，這也是目前提高家用太陽能供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。對于家用電器保護，建議在逆變器輸出電壓處安裝一個高質(zhì)量的保護裝置。沒有必要在各個電器之前均安裝，這樣會增加負(fù)荷量，降低家用太陽能的供電效率。

4.6 提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能家用太陽能供電系統(tǒng)本身是一個小型的供電平臺，它的規(guī)模大小往往受區(qū)域、環(huán)境和家庭經(jīng)濟收入的影響。因此，在安裝、調(diào)試、運行家用太陽能供電系統(tǒng)時，要充分考慮安裝區(qū)域的環(huán)境，不能影響到鄰居或者其他人的工作環(huán)境，做到綠色、環(huán)保。同時，也要注意節(jié)約用電，盡量使用低消耗的家用電器，真正做到節(jié)能、高效、環(huán)保。