城市住宅家用太阳能光伏发电系统的探讨

2017-09-18曾畅

科学中国人 2017年23期

关键词：电池板家用蓄电池

曾畅

成都市第七中学国际部2015级高二（1）班

城市住宅家用太阳能光伏发电系统的探讨

曾畅

成都市第七中学国际部2015级高二（1）班

根据城市住宅建筑的特点，文章介绍了家用太阳能光伏发电系统中太阳能光伏电池板安装位置的选择要点以及注意事项；结合城市住宅的特点文章提出了合理选择家用太阳能光伏发电系统方案以及主要设备的选择要点；文章最后给出了一个住宅建筑家用光伏发电系统的设计实例以及常用计算方法。

城市住宅；太阳能；光伏发电系统；光伏电池板；蓄电池；控制器；逆变器

1 引言

太阳能作为一种被广泛应用的清洁、高效、取之不歇的资源越来越受到世界各国的重视以及大众的喜爱。太阳能光伏发电系统主要是利用太阳光照射在半导体材料上把光能转换为电能的效应（光伏效应）进行发电。曾几何时，我们发现身边已经有了很多利用太阳能光伏效应发电的产品，例如：太阳能小风扇、太阳能手机充电电源、太阳能计算器等。这些太阳能光伏发电产品大多数体积较小、携带方便，既节约了能源又方便了我们日常生活的需要，深受人们的喜爱。随着世界各国对利用太阳能资源建立低碳经济社会的重视，世界上很多国家制定了家庭利用太阳能光伏发电的优惠政策。例如：美国联邦政府对家用安装太阳能光伏系统给予30%的税收信用优惠；中国对家庭利用太阳能光伏发电系统发电并接入国家电网提供了优惠电价以及安装补贴费。

在城市里家庭利用太阳能进行光伏发电用于我们的日常生活有一定的特殊性。本文通过对城市住宅建筑的特点分析，探讨城市住宅家用太阳能光伏发电系统的方案选择和配置，供大家参考。

2 根据城市住宅建筑的特点选择太阳能光伏电池板安装位置

在城市里，家庭的主要居住环境包括多层或高层单元式住宅楼、单层或多层别墅类住宅建筑等。对于单层或多层别墅类住宅建筑，建筑屋顶及周围是各家庭自己的产权时，太阳能光伏电池板可安装在屋顶或安装在最佳方向的屋前空地上。对于多层或高层单元式住宅建筑，因为很多住户不拥有建筑屋顶的使用权，太阳能光伏电池板可安装在最佳方向的阳台、外窗、外墙等处。

2.1 为提高太阳能光伏发电的效率，安装太阳能光伏电池板应根据当地的纬度进行最佳方向的选择

最佳方向包括：方位角（太阳能光伏电池板的垂直面与正南方向的夹角）和倾斜角（太阳能光伏电池板与安装处水平地面的夹角）。

对于我国（北半球）城市里住宅建筑内的家庭，建议尽量把太阳能光伏电池板方位角正对正南方作为太阳能光伏电池板初步的最佳方向。在安装完太阳能光伏发电系统后可通过测量仪表微量调整太阳能光伏电池板的方位角。太阳能光伏电池板的倾斜角应调整为太阳能光伏电池板发电量为最大时的最佳倾斜角。此角度与住宅的地理纬度有关。通过实测和计算后，在国家规范中公布了“全国主要城市太阳能光伏电池板的最佳安装倾角”的推荐值，例如北京市纬度为39.80度，最佳倾角为39.80+4=43.80度；成都市纬度为30.67度，最佳倾角为30.67+2=32.67度。在安装中可根据光伏电池板实测的最大发电量进行调整。

2.2 太阳能光伏电池板的安装位置选择的几点注意事项

（1）在考虑安装位置时，还应考虑附近是否有建筑物、树木等产生的阴影对光伏电池板接收太阳能的影响。

（2）当地有经常性降雪、降雨、大风时，太阳能光伏电池板应安装牢固，并有让雨水、雪水自动流淌的措施。

（3）安装在屋顶或室外的太阳能光伏电池板应有防雷击措施，可通过金属导体与屋顶或地面的防雷、接地装置可靠连接。

3 结合城市住宅的特点合理选择家用太阳能光伏发电系统方案

3.1 城市住宅建筑里选择家用太阳能光伏发电系统方案时应注意的事项

（1）家用太阳能光伏发电系统对人身安全的影响

家用太阳能光伏发电系统因家庭环境的复杂性，选用的光伏电池板组合的电压应尽量采用安全电压。我国现行规范规定的安全电压为50V及以下，人在接触此电压时可不致使人直接致死或致残。系统中的导线应穿管敷设。

（2）家用太阳能光伏发电系统对家庭生活环境安全的影响

家用太阳能光伏发电系统由各种电气设备组成，蓄电池挥发的气体以及部分劣质电气设备和导线发热产生的气体对家庭生活环境有一定影响。所以，家用太阳能光伏发电系统的蓄电池以及电气设备应尽量安装在室外、屋顶或有通风的独立房间、空间内。请选用合格、环保的电气设备和导线。

（3）家用太阳能光伏发电系统应有完备的电气保护措施

家用太阳能光伏发电系统从光伏电池板发电到最后输出至用电设备应有断路器、熔断器等保护措施，防止因电气设备、导线的故障等原因引起电气火灾、触电事故等安全问题。

3.2 城市住宅建筑里家用太阳能光伏发电系统方案的选择

家用太阳能光伏发电系统按是否向外输出发电量分为以下两类：

第一类为不带储能装置系统（一般为蓄电池）。常用的形式为：日照期间负载由光伏发电系统所发电量供电，多余电量并网卖给公共电网，日照不足期间由公共电网供电给家庭用户。此系统因没有储能装置，可大幅较少系统投资成本。对于年平均日照时间较长、日辐射量较大的地区建议采用此系统。

第二类为带储能装置系统。常用的形式为：日照期间负载由光伏发电系统所发电量供电，并把多余电量存储于储能装置，储能装置充满电量后再把剩余电量并网卖给公共电网，当光伏发电系统电量不能满足用电要求时，由公共电网供电。此系统可称为“带储能装置的光伏发电并网系统”，对于年平均日照时间较短、日辐射量较小的地区建议主要采用此系统。

这类系统因条件所限，不能或不便与住宅建筑的公共电网并网时，可以采用独立的太阳能光伏发电系统供电。根据我国规范要求“年平均日照时间大于1800小时的场所，可独立采用太阳光伏电源供电。”一年按365天计算，也就是说，年平均日照时间大于4.93h时，可采用独立的太阳能光伏发电系统供电。年平均日照时间较小时，可采用光伏-备用电源互补的独立电源系统，系统组成框图详图1。

图1 独立的光伏-备用电源互补型光伏发电系统

根据目前城市单元式住宅建筑的供电公共电网的情况，在交付房屋入住时供电电网均已安装完善，并没有预留住宅用户安装太阳能光伏发电系统的并网接口。单元式住宅建筑的用户建议采用“独立的光伏-备电互补型光伏发电系统”。对于别墅类建筑，因对现有供电系统改造相对容易，可采用“带储能装置的光伏发电并网系统”。

4 城市住宅建筑太阳能光伏发电系统主要设备的选择

4.1 光伏电池板组件的构成

主要组件包括：光伏电池、支架、旁路二极管以及相应的管线等。

目前光伏电池主要包括有：单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅（柔性薄膜）光伏电池等。

多晶硅光伏电池生产工艺相对简单，价格较低，在光照充足的地方可采用多晶硅光伏电池可以节约投资成本。

单晶硅光伏电池光-电转换效率比多晶硅高，因单晶硅光伏电池内杂质少，电性能参数比较稳定，在阴雨天较多，阳光相对不足的地区宜采用单晶硅光伏电池。

非晶硅光伏电池转换效率一般比单晶硅、多晶硅光伏电池低，但非晶硅电池能吸收较广的阳光波长，在阴天或微弱阳光下也能有较佳的运行效率。非晶硅光伏电池对太阳光照条件要求比较低，弱光性较好，做成柔性薄膜光伏电池可以在位置、方向有限制的地方使用。对于单元式住宅建筑，因条件的限制，家庭用户可采用非晶硅光伏电池组灵活的安装在建筑外墙、屋顶、幕墙、雨棚、阳台等多处地方。

光伏电池板支架用于支撑太阳能电池板，要保证太阳能电池板与支架的连接牢固可靠，并能很方便地更换太阳能电池。

4.2 蓄电池组的选择

太阳能光伏发电系统的储能设备主要是蓄电池。对于一个家庭的小型光伏发电系统，蓄电池组可以由多只蓄电池串联或并联组成。

适合光伏发电系统使用的蓄电池类型包括普通铅酸蓄电池、密封型免维护铅酸蓄电池、胶体电池、镍氢蓄电池等。从系统性能、成本等综合考虑，深循环密封型免维护铅酸蓄电池是家庭太阳能光伏发电系统的首选产品。

4.3 太阳能发电系统控制器的选择

太阳能控制器为控制太阳能电池板对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备，并使太阳能光伏发电系统尽量处于最佳发电状态，获得高的发电效率。

控制器可以是独立使用的设备，也可以和逆变器制作成一体式。部分控制器带备用电源自动切换功能，在光伏电源系统发电电量不足时能自动切换为备用电源供电（备用电源可以为公共市电电源、风电、发电机电源等）。

在住宅建筑家用的小型光伏发电系统中，为节约成本以及减少系统构成的复杂性，建议选用有如下功能的太阳能控制器：有所接负载短路的电路保护；有承受负载、太阳能电池组件或蓄电池极性反接的电路保护；有承受控制器、逆变器和其他设备内部短路的电路保护；有承受雷击引起的击穿保护；能防止蓄电池通过控制器向太阳能电池组件反向放电的保护。

4.4 逆变器的选择

在光伏发电系统中，逆变器为把直流电变换为交流电以供交流用电设备用电的装置。在住宅建筑中建议选用输出波形为纯正正弦波的逆变器。

4.5 备用电源转换器

在住宅建筑光伏-备用电源互补型光伏发电系统中，为满足在日照条件不佳时能持续供电，当光伏电源发电量较小不能满足负载需要时，通过备用电源转换器把光伏电源系统供电自动切换为备用电源供电，以满足负载的持续供电要求。