家用太阳能供电系统的物理技术性探讨

韩瑞功

摘要随着能源环境意识的增强和公民经济收入的增加，家用太阳能设备逐渐进入家庭，并且成为一种时尚的选择。就家用太阳能供电设备技术方面的有关问题作科学性分析，以便交流、推广和应用。

关键词家用；太阳能；供电系统

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）02-0087-02

随着我国大力建设生态高速公路和绿色环境能源开发、建设、应用的需要，太阳能供电成为家庭中最优的一种选择，并且随着能源环境意识的增强和公民经济收入的增加，建设、使用太阳能已经逐渐进入家庭，成为一种时尚的选择。但现实中选择、安装、使用、维护太阳能存在布线麻烦、维护困难、功率选择难以计算、受自然气候影响大等多种因素制约。本研究是为了保障家庭太阳能供电系统供电可靠、运行良好、维护科学，且不给家庭及周边造成环境影响，从而更好地适应经济、社会、人民生活的要求。

1 家用太阳能供电系统的工作原理

太阳能发电是指利用太阳能电池这种半导体电子器件，有效地吸收太阳光辐射，将太阳能转变为电能的发电方式。从物理学知识方面讲，它是太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴—电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。太阳能发电有2种方式，一种是光——热——电转换方式，另一种是光——电直接转换方式。它基本上由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流—交流逆变器、用电设备等部分组成。太阳能供电系统的工作原理是，太阳能电池组件将太阳的光能转化为电能；太阳能充放电控制器为中心控制设备，一方面将太阳能电池组件转化的电能储存在蓄电池组内，另一方面控制蓄电池组对用电负载设备供电。如果用电设备中存在交流设备，即通常所说的220伏交流电用电设备，可通过直流—交流逆变器将直流逆变成为交流电后，向交流设备负载供电。

由于家庭中存在着大量的交流设备，如节能灯光、电冰箱、空调、电磁炉、洗衣机、热水器等等，使用直流—交流逆变器将直流逆变成为交流电是不可缺少的。使用直流—交流逆变器不仅仅是将电能进行直流—交流逆变，重要的是通过这种设备进行电能的综合利用，达到节约电力能源、开发电力能源的作用。

2 家用太阳能供电系统的技术性设计思路和要求

2.1 科学考察，保证供电系统的可靠性家用太阳能供电系统，虽然从技术上已经比较成熟，但要达到科学化、节约能源、经济实用，还必须在安装、使用家用太阳能供电系统时做到科学考察。所谓科学考察，就是能够使家用太阳能系统的各部分设计都必须选择技术性能可靠、最成熟的技术线路；必须选择安装水平高的供电商；必须具有完备服务体系，保证设备正常运行，及时维护，特别是在需要的时候还能够服务于家庭电力能源的需求。

2.2 家用太阳能供电系统，在考虑经济条件的前提下，要留有发展的空间安装家用太阳能供电系统，总体要求是在认真考虑和提高供电效率的基础上，尽量做到降低造价和成本。但随着社会、经济和科学技术的发展，特别是家庭住宅结构的变化，在安装家用太阳能供电系统时，一定要在充分考虑现有条件的基础上，注重发展空间，力求最大经济技术效益的同时，为后续家庭的建设、发展和扩容打好基础。因为家用太阳能供电系统是一项不小的投资，技术含量高、投资大、设计繁琐、寿命相对较长。

2.3 引进新技术、新设备对于一个家庭来说，投资太阳能供电系统是一项重大的科技投入，从规划、设计、建设到调试、运行、维护，都要将最新的技术融于一体，引进新技术、新设备。

3 家用太阳能供电系统设计的技术性要求

根据电力能源综合开以的有关要求，家用太阳能供电系统设计的技术原则是：在保证家庭用电负荷供电需要的前提条件下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽可能减少家庭投资。工程造价是实施和完成工程的必备基础，如果不从技术要求方面考虑，过多地投入一个组件，有可能会造成工程价格的急剧澎胀，造成浪费，影响到家庭未来的发展，而且还未必能满足家庭用电的实际需求。

独立设计一个家庭太阳能供电系统，可进行家庭用电负荷的预测性计算，确定蓄电池的容量，确定供电系统中太阳能电池方阵容量，合理选择控制器和逆变器，同时从能源消耗和供电损耗2个方面考虑混合发电与用电中的电能损耗。

4 家用太阳能供电系统的技术设计

家用太阳能供电系统的技术性设计也分为软件和硬件设计。其软件包括太阳能电池方阵面辐射量的计算、家用电荷负载量的计算、太阳能电池和蓄电池用量的计算、太阳能电池和蓄电池用量二者之间相互匹配的优化设计、太阳能电池方阵安装倾角的计算、用线及电力附属设备的用量、系统运行情况的预测和系统经济效益的发挥等。硬件包括太阳能电池和蓄电池的选择、家用电能负载的选型及设计、逆变器的选型及容量设计、太阳能电池支架的设计及控制、测量系统的选型和设计。在上述众多的技术设计中，太阳能的辐射量和安装倾角以及系统优化的设计计算，必须通过测量、定量分析、实验等手段通过计算来完成，切不可估算。

4.1 家用负载的计算对于家用负载的计算，是独立太阳能光伏供电系统设计和定价的关键因素之一。通常是列出家用所有负载的名称、功率大小、额定电压和每天的用电时间，注意交直流负载分别列出，功率因数可以不考虑。然后将家用负载进行分类或者按电压性质（交、直流）分组，计算出各组的用电量以及总量，最后计算出每天平均负载电量之和。有一点应该注意，就是线损与转化电能的损失不容忽视。系统中电压的选择，通常是选取最大功率负载所需求的电压。

4.2 蓄电池容量的技术确定系统中蓄电池容量的最佳选择，应综合考虑太阳能电池方阵电量、家用负载容量及逆变器的效率等。蓄电池容量的计算方法很多，一般用串并联电动势公式算出即可。

因为在家用太阳能供电系统中不断的电力来源是电池，而电池的容量是有限的，不断电系统不会像市电一般无限制的供应，所以不论多大容量的不断电系统，在其满载的的状态下，其所供电的时间必定有限。若要延长放电时间，须购买长时间型不断电系统中的蓄电池，不能使用一般性蓄电池。

4.3 方阵的设置技术只要根据算出的蓄电池容量，太阳能电池的电流、电压及功率，完全可以参照供货商提供的蓄电池和太阳能电池组件性能参数，选取合适的组件型号的规格。当合适的组件确定之后，方阵组件的串并联数以及总量很快也就确定了。方阵是家用太阳能供电系统的核心部分，是它向太阳能供电系统提供初始能源。如果选择的方阵技术质量和数量与负载不相符，会严重影响到家用太阳能供电的质量，甚至损坏电器。

4.4 逆变器的选型技术逆变器的选择，首先要考虑的是要有足够的额定容量，以满足最大负荷条件下设备对功率的需求。当逆变器以多个设备为负载时，逆变器的容量要考虑几个用电设备同时工作的可能性。其次要求逆变器具有较高的稳定电压性能。在家用太阳能供电系统中，均以蓄电池为储备电能的设备，蓄电池端电压的起伏可控制在正常电压的±30%左右。这就要求逆变器必须具有较好的高压功能，以保证家用太阳能供电系统有稳定的交流电压输出，满足家庭用电需要。

4.5 良好的保护家用太阳能供电系统在正常运行过程中，可能出现因家庭人员误操作、负载故障、自然灾害等原因而引起的供电系统过流或短路。因为逆变器对外电路的过流及短路现象最为敏感，是家用太阳能供电系统中的薄弱环节，所以在选择逆变器时，必须要求它对过电流和短路有良好的自我保护功能，这也是目前提高家用太阳能供电系统可靠性的关键所在。对于家用电器保护，建议在逆变器输出电压处安装一个高质量的保护装置。没有必要在各个电器之前均安装，这样会增加负荷量，降低家用太阳能的供电效率。

4.6 提倡绿色、环保、节能家用太阳能供电系统本身是一个小型的供电平台，它的规模大小往往受区域、环境和家庭经济收入的影响。因此，在安装、调试、运行家用太阳能供电系统时，要充分考虑安装区域的环境，不能影响到邻居或者其他人的工作环境，做到绿色、环保。同时，也要注意节约用电，尽量使用低消耗的家用电器，真正做到节能、高效、环保。