家庭太陽能光伏發電系統的研究

趙春江，洪崇恩，劉永生

1.上海電力學院太陽能研究所 2.上海公元太陽能有限公司

0 前言

太陽能光伏發電系統從軍用到民用、從離網系統到并網系統已走過了半個多世紀的歷程，發電效率不斷提高，技術日益完善，發電成本逐年下降。隨著科技和時代的發展，家庭太陽能光伏發電已在經濟發達國家蓬勃興起。

家庭太陽能光伏發電技術的推廣和應用是家庭節能、保護環境、應對礦物能源日益枯竭的需求困境，也是人類就近利用太陽能這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽能同生態結合起來，充分利用住宅屋頂、陽臺等對人們生活無大礙的空間，安裝太陽電池，把幾千年來房屋只是人類居住、遮風擋雨、避寒暑、娛樂的簡單建筑發展成獨立能源、自我循環式的新型建筑，這也是人類進步和社會、科學技術發展的必然。

我國經濟實力不斷壯大，民眾收入逐年提高，富裕地區已經具備了推廣家庭太陽能光伏發電技術的經濟條件。筆者相信在國家政策和國家電網公司的大力支持下，家庭太陽能光伏發電系統這一新科技產品必將步入千家萬戶。本文將扼要介紹家庭離網光伏系統、家庭并網光伏系統、家庭微電網系統的研究結果。

1 家庭太陽能光伏發電系統

家庭太陽能光伏發電系統的規模通常為3～4kW，由于發電容量小，太陽電池組件串的并聯數一般不會超過兩個，故可省去直流匯流、直流配電、交流匯流等設施，使得系統簡單明快。單體設備和工程材料的單件重量一般不超過20kg，對屋頂和室內施工非常有利。系統離負載近，能充分發揮就地發電、就地使用的優勢，減少了遠距離輸電損失，經濟效益高。

1.1 家庭離網光伏系統

離網光伏系統與公共電網沒有直接的聯系，其規模小至幾百瓦的照明電源，大至上百千瓦的獨立光伏電站。它特別適用于島嶼、深山、荒漠、大草原等無電地區，也適用于城市中鋪設線路困難且成本高的場所，如書報亭、崗亭、高速公路指示燈和沿途休息場所的用電等。零售的太陽能草坪燈、太陽能計算器中的電源也是該系統技術的應用。由于離網光伏系統除了太陽能外無需外界能源支持，因此它還可用作空間站電源。家庭離網光伏系統屬于上述的一種應用。

家庭離網光伏系統主要由太陽電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器四大件組成，如圖1所示。

對于離網光伏系統，往往需要根據用戶的要求，解決連續陰雨天的情況下不間斷供電的問題。因此，當太陽電池功率規模確定后，蓄電池的配置容量往往成為設計人員的主要課題，設計過大則成本太高，設計過小則供電不足。通常在設計中還要考慮盡量采用長壽命、無二次污染、可再生利用的蓄電池。蓄電池在充放電過程中還要消耗相當一部分電能，包括其自放電的損耗，蓄電系統的總體效率一般為75%左右，導致離網光伏系統總體效率下降到60%甚至更低，因此在能采用輔助電源的情況下，一般應避免采用大量蓄電池，而是采用由輔助發電設備與適量蓄電池配合的方式。

2001年上海交通大學生態房建立了一套小型家庭離網光伏系統，系統由1770W太陽電池、8塊12V/200Ah的鉛酸蓄電池、充放電控制器和離網逆變器等構成，圖2展示了安裝在屋頂的光伏建筑一體化太陽電池方陣。該項目主要研究光伏建筑一體化技術中屋頂與太陽電池組件的結合方法和施工技術，以及太陽電池發電過程中自身產生的熱、熱環境和太陽輻照三者的熱效應對太陽電池轉換效率的影響[1]。同時，對蓄電系統也進行了觀察研究。通過對該系統的研究，得出了以下結論：

1）在光伏建筑一體化結構中，只要通風設計良好，太陽電池方陣背面溫度的上升程度與野外支架型太陽電池方陣相差不大。

2）鉛酸蓄電池壽命短，蓄電系統效率低，單電池自身的性能穩定和各單電池之間的性能一致性很難控制管理，需要研發新型的蓄電系統控制技術。

1.2 家庭并網光伏系統

把太陽電池發的直流電通過控制逆變裝置變換成交流，經過相位整合后同電網的交流電合起來使用，采用這種形態的光伏系統就是并網光伏系統。目前主要包括：無蓄電池無逆流（即不向電網倒送電）系統、有蓄電池無逆流系統（相當于離網系統）、有逆流系統（光伏系統剩余電力向電網輸送，由電力部門回購）。家庭并網光伏系統通常采用有逆流方式，該方式已在經濟發達國家得到大規模推廣。

家庭并網光伏系統的構成極為簡單，主要由太陽電池方陣、逆變器、交流保護開關箱和電表四大件組成，如圖3所示。

2006年上海閔行某住宅區建立了一套家庭并網光伏系統，系統由2992W太陽電池、2.5kW并網逆變器、交流保護開關箱和計量電表構成。圖4展示了安裝在屋頂的光伏建筑一體化太陽電池方陣。該項目主要研究在已建屋頂上如何把太陽電池組件結合到建筑上的方法和施工技術，以及以下內容[2,3]：

1)逆變器容量的最佳匹配

2)對上海地區太陽電池組件最佳安裝角度上太陽輻照度的各月分布進行調查

3)對上海地區太陽電池組件最佳安裝角度上的光伏系統各月發電量和年發電量進行調查

4)對家庭并網光伏系統的系統效率進行調查

5)對處于同一緯度不同安裝傾角的太陽電池方陣的發電性能進行調查

6)雪災對太陽電池方陣的發電性能的影響

研究工作至今已持續6年多，研究結果多數已發表，目前對系統運行的監測仍在進行中。通過對該系統的監測和研究，獲取和整理了大量數據，為建立家庭微電網系統打下了基礎。

1.3 家庭微電網系統

太陽能光伏發電尚有許多不足之處，其中最突出的問題就是發電和供電的間歇性和不穩定性（季節性、時段性、瞬時突變性），對電網的影響不言而喻。微電網技術（Micro-Grid）是解決上述問題的比較合適的手段[4]。

典型的微電網是由可再生能源電力、輔助電源和儲能系統組成。通常可由太陽能光伏發電、風力發電、小水力發電、生物質發電、燃氣發電或柴油發電、燃料電池、蓄電池組等任意組合起來，再加入計量裝置和控制管理系統，自成系統，獨立于大電網或間歇與大電網連接。

在家庭并網光伏系統的技術基礎上，2012年上海松江某別墅區建立了一套家庭微電網系統，系統由3.7kW太陽能光伏發電系統、0.7kW家庭用熱電聯供燃料電池、4.8kWh磷酸鐵鋰離子蓄電池組以及700Wh鋰離子超級電容高速電力調衡系統構成，另有2臺40W供電力調控用的排風扇，整個系統運行全部自動控制。其原理如圖5所示，各主體設備如圖6所示。另外，根據前期研究結果[5]，對光伏建筑一體化（BIPV）結構做了些改進，如圖7所示。并網后將盡量抑制逆送電，以減少對電網的干擾。也即形成了自給自足的家庭供電系統。

家庭微電網系統的研究工作是建立在對家庭并網光伏系統的研究基礎上。研究內容主要放在控制技術和控制參數上。光伏系統自2012年6月12日投入運行以來，一直工作穩定。燃料電池等各主體設備正在進行調試，微電網系統整體控制用軟硬件也在研發中。

2 結束語

家庭太陽能光伏發電從離網系統到微電網系統，走過了一段漫長的路，也是人們從不知到認知、從應用中發現問題進而研發解決問題的技術并對初級技術加以改進所必須走的路。也許微電網不是人們應用可再生能源電力的最終方案，但可以預見更高級的技術也必定是從這些技術基礎上發展起來的。

[1]趙春江,崔容強.太陽能建材技術的研究與開發（1）光伏屋頂熱性能的調查[J].太陽能學報,2003,24（3）∶352-356.

[2]趙春江,劉永生,楊金煥.3kW家用型太陽能光伏發電（PV）系統并網后的運行和監測[J].華東電力,2009,37（8）∶1374-1377.

[3]趙春江,劉永生,楊金煥.并網型家用PV系統抗雪災能力的調查[J].中國建設動態：陽光能源,2010,5∶64-65.

[4]趙春江.太陽能光伏發電系統技術的發展[J].自然雜志,2010,32（3）∶143-148.

[5]蘇乘風,趙春江,洪崇恩.10kW建筑一體化屋頂PV發電系統的研制[J].華東電力,2010,38（7）∶1084-1086.