城市住宅家用太陽能光伏發電系統的探討

曾暢

成都市第七中學國際部2015級高二（1）班

城市住宅家用太陽能光伏發電系統的探討

曾暢

成都市第七中學國際部2015級高二（1）班

根據城市住宅建筑的特點，文章介紹了家用太陽能光伏發電系統中太陽能光伏電池板安裝位置的選擇要點以及注意事項；結合城市住宅的特點文章提出了合理選擇家用太陽能光伏發電系統方案以及主要設備的選擇要點；文章最后給出了一個住宅建筑家用光伏發電系統的設計實例以及常用計算方法。

城市住宅；太陽能；光伏發電系統；光伏電池板；蓄電池；控制器；逆變器

1 引言

太陽能作為一種被廣泛應用的清潔、高效、取之不歇的資源越來越受到世界各國的重視以及大眾的喜愛。太陽能光伏發電系統主要是利用太陽光照射在半導體材料上把光能轉換為電能的效應（光伏效應）進行發電。曾幾何時，我們發現身邊已經有了很多利用太陽能光伏效應發電的產品，例如：太陽能小風扇、太陽能手機充電電源、太陽能計算器等。這些太陽能光伏發電產品大多數體積較小、攜帶方便，既節約了能源又方便了我們日常生活的需要，深受人們的喜愛。隨著世界各國對利用太陽能資源建立低碳經濟社會的重視，世界上很多國家制定了家庭利用太陽能光伏發電的優惠政策。例如：美國聯邦政府對家用安裝太陽能光伏系統給予30%的稅收信用優惠；中國對家庭利用太陽能光伏發電系統發電并接入國家電網提供了優惠電價以及安裝補貼費。

在城市里家庭利用太陽能進行光伏發電用于我們的日常生活有一定的特殊性。本文通過對城市住宅建筑的特點分析，探討城市住宅家用太陽能光伏發電系統的方案選擇和配置，供大家參考。

2 根據城市住宅建筑的特點選擇太陽能光伏電池板安裝位置

在城市里，家庭的主要居住環境包括多層或高層單元式住宅樓、單層或多層別墅類住宅建筑等。對于單層或多層別墅類住宅建筑，建筑屋頂及周圍是各家庭自己的產權時，太陽能光伏電池板可安裝在屋頂或安裝在最佳方向的屋前空地上。對于多層或高層單元式住宅建筑，因為很多住戶不擁有建筑屋頂的使用權，太陽能光伏電池板可安裝在最佳方向的陽臺、外窗、外墻等處。

2.1 為提高太陽能光伏發電的效率，安裝太陽能光伏電池板應根據當地的緯度進行最佳方向的選擇

最佳方向包括：方位角（太陽能光伏電池板的垂直面與正南方向的夾角）和傾斜角（太陽能光伏電池板與安裝處水平地面的夾角）。

對于我國（北半球）城市里住宅建筑內的家庭，建議盡量把太陽能光伏電池板方位角正對正南方作為太陽能光伏電池板初步的最佳方向。在安裝完太陽能光伏發電系統后可通過測量儀表微量調整太陽能光伏電池板的方位角。太陽能光伏電池板的傾斜角應調整為太陽能光伏電池板發電量為最大時的最佳傾斜角。此角度與住宅的地理緯度有關。通過實測和計算后，在國家規范中公布了“全國主要城市太陽能光伏電池板的最佳安裝傾角”的推薦值，例如北京市緯度為39.80度，最佳傾角為39.80+4=43.80度；成都市緯度為30.67度，最佳傾角為30.67+2=32.67度。在安裝中可根據光伏電池板實測的最大發電量進行調整。

2.2 太陽能光伏電池板的安裝位置選擇的幾點注意事項

（1）在考慮安裝位置時，還應考慮附近是否有建筑物、樹木等產生的陰影對光伏電池板接收太陽能的影響。

（2）當地有經常性降雪、降雨、大風時，太陽能光伏電池板應安裝牢固，并有讓雨水、雪水自動流淌的措施。

（3）安裝在屋頂或室外的太陽能光伏電池板應有防雷擊措施，可通過金屬導體與屋頂或地面的防雷、接地裝置可靠連接。

3 結合城市住宅的特點合理選擇家用太陽能光伏發電系統方案

3.1 城市住宅建筑里選擇家用太陽能光伏發電系統方案時應注意的事項

（1）家用太陽能光伏發電系統對人身安全的影響

家用太陽能光伏發電系統因家庭環境的復雜性，選用的光伏電池板組合的電壓應盡量采用安全電壓。我國現行規范規定的安全電壓為50V及以下，人在接觸此電壓時可不致使人直接致死或致殘。系統中的導線應穿管敷設。

（2）家用太陽能光伏發電系統對家庭生活環境安全的影響

家用太陽能光伏發電系統由各種電氣設備組成，蓄電池揮發的氣體以及部分劣質電氣設備和導線發熱產生的氣體對家庭生活環境有一定影響。所以，家用太陽能光伏發電系統的蓄電池以及電氣設備應盡量安裝在室外、屋頂或有通風的獨立房間、空間內。請選用合格、環保的電氣設備和導線。

（3）家用太陽能光伏發電系統應有完備的電氣保護措施

家用太陽能光伏發電系統從光伏電池板發電到最后輸出至用電設備應有斷路器、熔斷器等保護措施，防止因電氣設備、導線的故障等原因引起電氣火災、觸電事故等安全問題。

3.2 城市住宅建筑里家用太陽能光伏發電系統方案的選擇

家用太陽能光伏發電系統按是否向外輸出發電量分為以下兩類：

第一類為不帶儲能裝置系統（一般為蓄電池）。常用的形式為：日照期間負載由光伏發電系統所發電量供電，多余電量并網賣給公共電網，日照不足期間由公共電網供電給家庭用戶。此系統因沒有儲能裝置，可大幅較少系統投資成本。對于年平均日照時間較長、日輻射量較大的地區建議采用此系統。

第二類為帶儲能裝置系統。常用的形式為：日照期間負載由光伏發電系統所發電量供電，并把多余電量存儲于儲能裝置，儲能裝置充滿電量后再把剩余電量并網賣給公共電網，當光伏發電系統電量不能滿足用電要求時，由公共電網供電。此系統可稱為“帶儲能裝置的光伏發電并網系統”，對于年平均日照時間較短、日輻射量較小的地區建議主要采用此系統。

這類系統因條件所限，不能或不便與住宅建筑的公共電網并網時，可以采用獨立的太陽能光伏發電系統供電。根據我國規范要求“年平均日照時間大于1800小時的場所，可獨立采用太陽光伏電源供電。”一年按365天計算，也就是說，年平均日照時間大于4.93h時，可采用獨立的太陽能光伏發電系統供電。年平均日照時間較小時，可采用光伏-備用電源互補的獨立電源系統，系統組成框圖詳圖1。

圖1 獨立的光伏-備用電源互補型光伏發電系統

根據目前城市單元式住宅建筑的供電公共電網的情況，在交付房屋入住時供電電網均已安裝完善，并沒有預留住宅用戶安裝太陽能光伏發電系統的并網接口。單元式住宅建筑的用戶建議采用“獨立的光伏-備電互補型光伏發電系統”。對于別墅類建筑，因對現有供電系統改造相對容易，可采用“帶儲能裝置的光伏發電并網系統”。

4 城市住宅建筑太陽能光伏發電系統主要設備的選擇

4.1 光伏電池板組件的構成

主要組件包括：光伏電池、支架、旁路二極管以及相應的管線等。

目前光伏電池主要包括有：單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池、非晶硅（柔性薄膜）光伏電池等。

多晶硅光伏電池生產工藝相對簡單，價格較低，在光照充足的地方可采用多晶硅光伏電池可以節約投資成本。

單晶硅光伏電池光-電轉換效率比多晶硅高，因單晶硅光伏電池內雜質少，電性能參數比較穩定，在陰雨天較多，陽光相對不足的地區宜采用單晶硅光伏電池。

非晶硅光伏電池轉換效率一般比單晶硅、多晶硅光伏電池低，但非晶硅電池能吸收較廣的陽光波長，在陰天或微弱陽光下也能有較佳的運行效率。非晶硅光伏電池對太陽光照條件要求比較低，弱光性較好，做成柔性薄膜光伏電池可以在位置、方向有限制的地方使用。對于單元式住宅建筑，因條件的限制，家庭用戶可采用非晶硅光伏電池組靈活的安裝在建筑外墻、屋頂、幕墻、雨棚、陽臺等多處地方。

光伏電池板支架用于支撐太陽能電池板，要保證太陽能電池板與支架的連接牢固可靠，并能很方便地更換太陽能電池。

4.2 蓄電池組的選擇

太陽能光伏發電系統的儲能設備主要是蓄電池。對于一個家庭的小型光伏發電系統，蓄電池組可以由多只蓄電池串聯或并聯組成。

適合光伏發電系統使用的蓄電池類型包括普通鉛酸蓄電池、密封型免維護鉛酸蓄電池、膠體電池、鎳氫蓄電池等。從系統性能、成本等綜合考慮，深循環密封型免維護鉛酸蓄電池是家庭太陽能光伏發電系統的首選產品。

4.3 太陽能發電系統控制器的選擇

太陽能控制器為控制太陽能電池板對蓄電池充電以及蓄電池給負載供電的自動控制設備，并使太陽能光伏發電系統盡量處于最佳發電狀態，獲得高的發電效率。

控制器可以是獨立使用的設備，也可以和逆變器制作成一體式。部分控制器帶備用電源自動切換功能，在光伏電源系統發電電量不足時能自動切換為備用電源供電（備用電源可以為公共市電電源、風電、發電機電源等）。

在住宅建筑家用的小型光伏發電系統中，為節約成本以及減少系統構成的復雜性，建議選用有如下功能的太陽能控制器：有所接負載短路的電路保護；有承受負載、太陽能電池組件或蓄電池極性反接的電路保護；有承受控制器、逆變器和其他設備內部短路的電路保護；有承受雷擊引起的擊穿保護；能防止蓄電池通過控制器向太陽能電池組件反向放電的保護。

4.4 逆變器的選擇

在光伏發電系統中，逆變器為把直流電變換為交流電以供交流用電設備用電的裝置。在住宅建筑中建議選用輸出波形為純正正弦波的逆變器。

4.5 備用電源轉換器

在住宅建筑光伏-備用電源互補型光伏發電系統中，為滿足在日照條件不佳時能持續供電，當光伏電源發電量較小不能滿足負載需要時，通過備用電源轉換器把光伏電源系統供電自動切換為備用電源供電，以滿足負載的持續供電要求。

5 城市單元式住宅建筑太陽能光伏發電系統的實例

以成都市單元式住宅建筑一戶家庭的家用太陽能光伏發電系統為例：

5.1 相關資料收集

太陽能光伏發電系統實例的基本資料收集表，詳表1。

表1 太陽能光伏發電系統基本資料收集表

5.2 太陽能光伏發電系統安裝位置的確定

根據此家庭的安裝環境條件，本實例光伏電池板及支架可固定在露臺上，并能正對正南方向安裝。太陽能控制器、逆變器、蓄電池組均安裝在支架下方。光伏電池板的安裝傾角按成都市的緯度以及國家推薦值暫定為32.67度。

5.3 確定光伏發電系統的組成結構以及要達到的功能

根據家庭的需求，本實例采用家庭“獨立型帶蓄電池光伏-備用電源發電系統”。當有充足日照時，由光伏發電系統所發電量對用電設備供電，并把多余電量存儲于蓄電池。當光伏發電系統電量不能滿足負載用電要求時，自動切換為備用電源（市電電源）供電。

5.4 家用太陽能光伏發電系統設計時的估算

太陽能光伏發電系統需要計算各用電回路的功率、電流；計算太陽能電池組容量；蓄電池組容量等。在大型的工程設計中一般采用專業軟件計算。

在小型的家用太陽能光伏發電系統設計時，可根據實際用電量進行估算并根據實際使用情況調整。

5.4.1 計算需要的太陽能電池板功率

本系統實際有三重電源：太陽能光伏發電電源、蓄電池電源、市電電源。當因各種原因蓄電池供電容量不夠時，可通過控制器切換到市電電源供電。在實例的系統計算時可暫不考慮連續陰雨天數對系統計算的影響。

蓄電池電壓暫選用60Ah，12V免維護鉛酸蓄電池，考慮蓄電池的放電深度為70%。

每日總耗電量為：12X40+72X5+16X5=920（Wh）。

需求的電池板功率=（安全系數*每日總耗電量*連續陰雨天數+每日總耗電量*蓄電池需充電天數）/蓄電池需充電天數/（日照系數*修正系數）。

其中：安全系數取1.1；連續陰雨天數取1；蓄電池需充電天數取10天；成都的日照系數為2.87；修正系數取0.88～0.9。

本實例需求的太陽能電池板功率=（1.1*920*1+920*10）/10/（2.87*0.88）=273（W）。所以本實例可以選用300W，電壓約18V的單晶硅太陽能光伏電池板。

5.4.2 確定需要的蓄電池容量

蓄電池需要的容量=100*安全系數*每日總耗電量*連續陰雨天數*環境溫度修正系數/放電深度/工作電壓。

其中：環境溫度修正系數：0度以上取1，-10度以上取1.1，-10度以下取1.2。

本實例蓄電池需要的容量=100*1.1*920*1*1/70%/12=120（Ah）。

由此看出，我們選擇的蓄電池應最少選用2臺60Ah的蓄電池。考慮到連續陰雨天的部分影響，蓄電池容量未充滿或停電時在夜間已使用了一部分的影響，考慮蓄電池直流電源通過逆變器變為交流電源以及線路上的功率損耗影響等，本實例選用了3臺60Ah，12V的免維護鉛酸蓄電池組成180Ah，12V的蓄電池組。

5.4.3 太陽能光伏發電系統其他主要設備的選擇

根據本實例的計算：采用了1臺輸入直流電壓12V～24V寬電壓，30A的太陽能控制器，并自帶備用電源自動轉換器。采用了1臺500W純正正弦波逆變器，把直流12V逆變為交流220V。

6 結語

隨著光伏電池轉換效率的提高，光伏發電系統設備性能的不斷發展，太陽能作為綠色清潔能源將會得到廣泛的利用。如果在城市住宅建筑中大量的采用太陽能光伏發電系統作為主要或輔助能源，將會極大的節約能源和不可再生資源，減少CO2的排放，為全社會提供一個節能、環保、舒適的生活環境。

[1]中國建筑設計研究院.JGJ203-2010民用建筑太陽能光伏系統應用技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[2]國家發展計劃委員會能源研究所.GB/T 19064-2003家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法[S].北京：中國標準出版社,2003.

[3]中國建筑標準設計研究院.16J908-5建筑太陽能光伏系統設計與安裝[S].北京：中國計劃出版社,2016.