基于小型太阳能供电系统的研究与开发

李可为，张祥军，罗 乐，孙玉芳

(1. 成都工业学院通信工程系，2. 成都工业学院电气与电子工程系，四川 成都611730)

随着全球向低碳经济的纵深发展，我国大力推进低碳经济发展等多重路径，并确定新能源开发和能效提高为重点投资领域，这给可再生能源之一的太阳能的开发和利用带来了很好的发展机遇。而可靠性高、寿命长、无污染、无噪声、安装容易、使用方便、价格适当，适用性强的小型太阳能供电系统将给使用者带来很大方便的同时也给市场带来很多商机。

1 太阳能供电系统的组成及工作原理

1.1 太阳能供电系统的组成

太阳能供电系统由太阳能电池方阵、充电控制器、蓄电池组、直流/ 交流逆变器、配电柜等基本部件组成。

实际中，太阳电池方阵是由许多太阳电池组件根据系统电压和容量的要求，通过不同个数的串联与并联方式组成。一般常规太阳电池组件标准光强下的峰值输出电压在17 V 左右，针对每个12 V 电池充电。如系统输出要求对220 V 电池组充电，则太阳电池组件的串联个数为18 片。并联数则取决于系统对方阵的功率要求，即总功率除以串联个数与单个组件功率的乘积。

对于太阳能供电系统，特别是针对本项目，供电系统输出是通过配电柜输出交流电，通过配电线路向用户输出。并采用太阳能/ 市电切换方式供电，在太阳能和蓄电池组不能正常供电的情况下由市电直接给负载供电，优先级别为：太阳能、蓄电池组、市电。系统组成图如图1 所示。

图1 太阳能供电系组成

1.2 太阳能供电系统的工作原理

太阳能发电是利用以光伏效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能量直接转换成电能的发电方式。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等，它们的发电原理基本相同。现以晶体为例描述光发电过程，P 型晶体硅经过外延等掺杂技术可得N 型硅，形成PN 结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，进入导带成为自由电子，在PN 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是，光子能量转换成电能的过程。

当太阳光线正常情况时，太阳能电池板组件将太阳光转换成直流电，通过充放电控制器变换后分成二路，一路给蓄电池组充电，另一路供给直流/ 交流逆变器变换成负载所需的380 V/220 V交流电压，然后通过配电柜输出给负载使用。

当太阳光线异常情况时，分两种情况，一是由于太阳光线异常，太阳能电池板无法向充电器提供正常所需的电压，此时蓄电池组自动向逆变器供电， 逆变器将蓄电池的直流电变换成380VAC/220VAC 交流电压，然后通过配电柜输出给负载使用；二是当蓄电池组能量耗尽时，逆变器将自动转入市电工作状态，将市电（图中未画出）通过配电柜输出给负载使用。

2 太阳能供电系统的方案设计及设备选择

由于本供电系统主要是针对各类小容量设备的供电，所以重点应该在方案确定和设备选择上：

（1）逆变器选用应该从可靠性、高效率和对蓄电池组过放电保护功能等方面考虑，因此选EAST牌太阳能专用逆变器，功率为12.5 kV·A/10 kW，直流输入220 V，交流输入380 V，交流输出380 V，三相五线制，具备市电旁路功能，直流供电工作优先，LCD 中文显示。

（2）蓄电池选用EAST 牌NP100-12，额定电压12 V，额定容量100 A·h，设计使用寿命5年，铅酸免维护。如果发电功率按10 kW 设计，蓄电池供电时间取决于用户所要求的太阳光异常时的系统工作时间，本供电系统蓄电池供电时间按2 h 配置；关于蓄电池型号及数量，本供电系统采用10 kW 逆变器，根据蓄电池容量计算公式（P/VDC）/C 放＝Ah（电池总容量），（10000/220）/0.42=100Ah，常规电池型号为12 V 38 A·h、12 V 65 A·h、12 V 100 A·h，这里取12 V 100 A·h 电池，这样，蓄电池数量为VDC/12=18 节，因此需18 节12 V 100 A·h 电池。

（3）充电器选用应该从控制能力、使用功能、抗干扰性、保护性能、操作等方面考虑，因此选EAST牌，工作参数为直流220 V/100A。充电器的电压值为直流220V（与逆变器直流电压相同），电流为逆变器工作电流和充电电流累计，本供电系统中的逆变器工作电流为：10 000/220＝45.5 A，充电电流为电池容量的10%即10 A，合计为45.5＋10＝55.5 A。因此充电器工作参数为直流220 V/56 A 即12.32 kW。

（4）太阳电池板，考虑技术成熟、易采购等因素，本系统设计采用上海宙浩公司生产的单晶硅17.5 V/5.71 A 100 W 太阳电池板。 型号为SUN100M-12，相关参数如表1。由公式56 A/5.71＝10，考虑阳光、线损、设备等损耗，太阳电池板组数为10＋1＝11，太阳电池板单组块数为220/12＝18，因此需要11×18＝198 块。

（5）配电柜采用国产普通柜体，断路开关采用

表1 太阳电池板相关参数

ABB/MGE 等国际知名品牌，相关参数如表2。

3 太阳能供电系统的实施

3.1 设备安装

太阳能电池支架固定在水泥基础上，而组件面向南与水平面成最佳角度（一般为45°）。并应遵循以下原则：

表2 断路开关相关参数

（1）太阳能电池方阵支架的施工和制造应该用材省、造价低、坚固耐用；

（2）太阳能电池方阵支架设计成地面安装支架为宜；

（3）太阳能电池支架选用5 号镀锌角钢制造，其强度可达到承受12 级大风的吹刮；

（4）太阳能电池方阵支架的连接件，包括组件和支架的连接件、支架和螺栓的连接件，都采用不锈钢材料。主要连接螺栓直径大于M16，地基连接螺栓直径大于20 mm。

（5）为了保证太阳能在全年能最大程度的辐照到电池阵，在电池阵两侧及前方20 m 内不能有高于1 m 的建筑物或树木。在20 m 以外的周边范围不得有高于5 m 的建筑物或树木。

（6）供电系统控制设备（充电器、逆变器、蓄电池、防雷器）应放置在室内并安装空调，尽可能提供少尘、控温的工作场所。

3.2 机房布置

机房设计根据充电控制器、蓄电池组、逆变器、交流配电柜的尺寸大小，确定太阳能控制机房的面积大小、高度以及材料。

3.3 设备维护

太阳能电池板每隔7 天（如果恶劣天气，建议每天一次）应清扫一次灰尘，防止因灰尘而降低电池板的转换效率。

4 太阳能供电系统的设备及施工明细

太阳能供电系统的设备及施工明细见表3。

表3 太阳能供电系统的设备及施工明细

5 结束语

通过对10 kW 小型太阳能供电系统的组成、工作原理、方案设计、设备选择以及施工与维护的阐述，小型太阳能供电系统具有节能效果显著、安装容易、使用方便等优点。该供电系统特别适用于高校单体实验室、学术报告厅、会议室和计算机房等安装使用。其意义不仅具有节能的作用，还具有新能源、低碳、绿色推广等应用价值。