家用太陽能供電系統的物理技術性探討

韓瑞功

摘要隨著能源環境意識的增強和公民經濟收入的增加，家用太陽能設備逐漸進入家庭，并且成為一種時尚的選擇。就家用太陽能供電設備技術方面的有關問題作科學性分析，以便交流、推廣和應用。

關鍵詞家用；太陽能；供電系統

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

隨著我國大力建設生態高速公路和綠色環境能源開發、建設、應用的需要，太陽能供電成為家庭中最優的一種選擇，并且隨著能源環境意識的增強和公民經濟收入的增加，建設、使用太陽能已經逐漸進入家庭，成為一種時尚的選擇。但現實中選擇、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供電可靠、運行良好、維護科學，且不給家庭及周邊造成環境影響，從而更好地適應經濟、社會、人民生活的要求。

1 家用太陽能供電系統的工作原理

太陽能發電是指利用太陽能電池這種半導體電子器件，有效地吸收太陽光輻射，將太陽能轉變為電能的發電方式。從物理學知識方面講，它是太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴—電子對，在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。太陽能發電有2種方式，一種是光——熱——電轉換方式，另一種是光——電直接轉換方式。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、用電設備等部分組成。太陽能供電系統的工作原理是，太陽能電池組件將太陽的光能轉化為電能；太陽能充放電控制器為中心控制設備，一方面將太陽能電池組件轉化的電能儲存在蓄電池組內，另一方面控制蓄電池組對用電負載設備供電。如果用電設備中存在交流設備，即通常所說的220伏交流電用電設備，可通過直流—交流逆變器將直流逆變成為交流電后，向交流設備負載供電。

由于家庭中存在著大量的交流設備，如節能燈光、電冰箱、空調、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備進行電能的綜合利用，達到節約電力能源、開發電力能源的作用。

2 家用太陽能供電系統的技術性設計思路和要求

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

2.2 家用太陽能供電系統，在考慮經濟條件的前提下，要留有發展的空間安裝家用太陽能供電系統，總體要求是在認真考慮和提高供電效率的基礎上，盡量做到降低造價和成本。但隨著社會、經濟和科學技術的發展，特別是家庭住宅結構的變化，在安裝家用太陽能供電系統時，一定要在充分考慮現有條件的基礎上，注重發展空間，力求最大經濟技術效益的同時，為后續家庭的建設、發展和擴容打好基礎。因為家用太陽能供電系統是一項不小的投資，技術含量高、投資大、設計繁瑣、壽命相對較長。

2.3 引進新技術、新設備對于一個家庭來說，投資太陽能供電系統是一項重大的科技投入，從規劃、設計、建設到調試、運行、維護，都要將最新的技術融于一體，引進新技術、新設備。

3 家用太陽能供電系統設計的技術性要求

根據電力能源綜合開以的有關要求，家用太陽能供電系統設計的技術原則是：在保證家庭用電負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，如果不從技術要求方面考慮，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展，而且還未必能滿足家庭用電的實際需求。

獨立設計一個家庭太陽能供電系統，可進行家庭用電負荷的預測性計算，確定蓄電池的容量，確定供電系統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個方面考慮混合發電與用電中的電能損耗。

4 家用太陽能供電系統的技術設計

家用太陽能供電系統的技術性設計也分為軟件和硬件設計。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化設計、太陽能電池方陣安裝傾角的計算、用線及電力附屬設備的用量、系統運行情況的預測和系統經濟效益的發揮等。硬件包括太陽能電池和蓄電池的選擇、家用電能負載的選型及設計、逆變器的選型及容量設計、太陽能電池支架的設計及控制、測量系統的選型和設計。在上述眾多的技術設計中，太陽能的輻射量和安裝傾角以及系統優化的設計計算，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 家用負載的計算對于家用負載的計算，是獨立太陽能光伏供電系統設計和定價的關鍵因素之一。通常是列出家用所有負載的名稱、功率大小、額定電壓和每天的用電時間，注意交直流負載分別列出，功率因數可以不考慮。然后將家用負載進行分類或者按電壓性質（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載電量之和。有一點應該注意，就是線損與轉化電能的損失不容忽視。系統中電壓的選擇，通常是選取最大功率負載所需求的電壓。

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

因為在家用太陽能供電系統中不斷的電力來源是電池，而電池的容量是有限的，不斷電系統不會像市電一般無限制的供應，所以不論多大容量的不斷電系統，在其滿載的的狀態下，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中的蓄電池，不能使用一般性蓄電池。

4.3 方陣的設置技術只要根據算出的蓄電池容量，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，選取合適的組件型號的規格。當合適的組件確定之后，方陣組件的串并聯數以及總量很快也就確定了。方陣是家用太陽能供電系統的核心部分，是它向太陽能供電系統提供初始能源。如果選擇的方陣技術質量和數量與負載不相符，會嚴重影響到家用太陽能供電的質量，甚至損壞電器。

4.4 逆變器的選型技術逆變器的選擇，首先要考慮的是要有足夠的額定容量，以滿足最大負荷條件下設備對功率的需求。當逆變器以多個設備為負載時，逆變器的容量要考慮幾個用電設備同時工作的可能性。其次要求逆變器具有較高的穩定電壓性能。在家用太陽能供電系統中，均以蓄電池為儲備電能的設備，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有穩定的交流電壓輸出，滿足家庭用電需要。

4.5 良好的保護家用太陽能供電系統在正常運行過程中，可能出現因家庭人員誤操作、負載故障、自然災害等原因而引起的供電系統過流或短路。因為逆變器對外電路的過流及短路現象最為敏感，是家用太陽能供電系統中的薄弱環節，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可靠性的關鍵所在。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，這樣會增加負荷量，降低家用太陽能的供電效率。

4.6 提倡綠色、環保、節能家用太陽能供電系統本身是一個小型的供電平臺，它的規模大小往往受區域、環境和家庭經濟收入的影響。因此，在安裝、調試、運行家用太陽能供電系統時，要充分考慮安裝區域的環境，不能影響到鄰居或者其他人的工作環境，做到綠色、環保。同時，也要注意節約用電，盡量使用低消耗的家用電器，真正做到節能、高效、環保。