基于小型太陽能供電系統的研究與開發

李可為，張祥軍，羅 樂，孫玉芳

(1. 成都工業學院通信工程系，2. 成都工業學院電氣與電子工程系，四川 成都611730)

隨著全球向低碳經濟的縱深發展，我國大力推進低碳經濟發展等多重路徑，并確定新能源開發和能效提高為重點投資領域，這給可再生能源之一的太陽能的開發和利用帶來了很好的發展機遇。而可靠性高、壽命長、無污染、無噪聲、安裝容易、使用方便、價格適當，適用性強的小型太陽能供電系統將給使用者帶來很大方便的同時也給市場帶來很多商機。

1 太陽能供電系統的組成及工作原理

1.1 太陽能供電系統的組成

太陽能供電系統由太陽能電池方陣、充電控制器、蓄電池組、直流/ 交流逆變器、配電柜等基本部件組成。

實際中，太陽電池方陣是由許多太陽電池組件根據系統電壓和容量的要求，通過不同個數的串聯與并聯方式組成。一般常規太陽電池組件標準光強下的峰值輸出電壓在17 V 左右，針對每個12 V 電池充電。如系統輸出要求對220 V 電池組充電，則太陽電池組件的串聯個數為18 片。并聯數則取決于系統對方陣的功率要求，即總功率除以串聯個數與單個組件功率的乘積。

對于太陽能供電系統，特別是針對本項目，供電系統輸出是通過配電柜輸出交流電，通過配電線路向用戶輸出。并采用太陽能/ 市電切換方式供電，在太陽能和蓄電池組不能正常供電的情況下由市電直接給負載供電，優先級別為：太陽能、蓄電池組、市電。系統組成圖如圖1 所示。

圖1 太陽能供電系組成

1.2 太陽能供電系統的工作原理

太陽能發電是利用以光伏效應原理制成的太陽能電池將太陽輻射能量直接轉換成電能的發電方式。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等，它們的發電原理基本相同。現以晶體為例描述光發電過程，P 型晶體硅經過外延等摻雜技術可得N 型硅，形成PN 結。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了躍遷，進入導帶成為自由電子，在PN 結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是，光子能量轉換成電能的過程。

當太陽光線正常情況時，太陽能電池板組件將太陽光轉換成直流電，通過充放電控制器變換后分成二路，一路給蓄電池組充電，另一路供給直流/ 交流逆變器變換成負載所需的380 V/220 V交流電壓，然后通過配電柜輸出給負載使用。

當太陽光線異常情況時，分兩種情況，一是由于太陽光線異常，太陽能電池板無法向充電器提供正常所需的電壓，此時蓄電池組自動向逆變器供電， 逆變器將蓄電池的直流電變換成380VAC/220VAC 交流電壓，然后通過配電柜輸出給負載使用；二是當蓄電池組能量耗盡時，逆變器將自動轉入市電工作狀態，將市電（圖中未畫出）通過配電柜輸出給負載使用。

2 太陽能供電系統的方案設計及設備選擇

由于本供電系統主要是針對各類小容量設備的供電，所以重點應該在方案確定和設備選擇上：

（1）逆變器選用應該從可靠性、高效率和對蓄電池組過放電保護功能等方面考慮，因此選EAST牌太陽能專用逆變器，功率為12.5 kV·A/10 kW，直流輸入220 V，交流輸入380 V，交流輸出380 V，三相五線制，具備市電旁路功能，直流供電工作優先，LCD 中文顯示。

（2）蓄電池選用EAST 牌NP100-12，額定電壓12 V，額定容量100 A·h，設計使用壽命5年，鉛酸免維護。如果發電功率按10 kW 設計，蓄電池供電時間取決于用戶所要求的太陽光異常時的系統工作時間，本供電系統蓄電池供電時間按2 h 配置；關于蓄電池型號及數量，本供電系統采用10 kW 逆變器，根據蓄電池容量計算公式（P/VDC）/C 放＝Ah（電池總容量），（10000/220）/0.42=100Ah，常規電池型號為12 V 38 A·h、12 V 65 A·h、12 V 100 A·h，這里取12 V 100 A·h 電池，這樣，蓄電池數量為VDC/12=18 節，因此需18 節12 V 100 A·h 電池。

（3）充電器選用應該從控制能力、使用功能、抗干擾性、保護性能、操作等方面考慮，因此選EAST牌，工作參數為直流220 V/100A。充電器的電壓值為直流220V（與逆變器直流電壓相同），電流為逆變器工作電流和充電電流累計，本供電系統中的逆變器工作電流為：10 000/220＝45.5 A，充電電流為電池容量的10%即10 A，合計為45.5＋10＝55.5 A。因此充電器工作參數為直流220 V/56 A 即12.32 kW。

（4）太陽電池板，考慮技術成熟、易采購等因素，本系統設計采用上海宙浩公司生產的單晶硅17.5 V/5.71 A 100 W 太陽電池板。 型號為SUN100M-12，相關參數如表1。由公式56 A/5.71＝10，考慮陽光、線損、設備等損耗，太陽電池板組數為10＋1＝11，太陽電池板單組塊數為220/12＝18，因此需要11×18＝198 塊。

（5）配電柜采用國產普通柜體，斷路開關采用

表1 太陽電池板相關參數

ABB/MGE 等國際知名品牌，相關參數如表2。

3 太陽能供電系統的實施

3.1 設備安裝

太陽能電池支架固定在水泥基礎上，而組件面向南與水平面成最佳角度（一般為45°）。并應遵循以下原則：

表2 斷路開關相關參數

（1）太陽能電池方陣支架的施工和制造應該用材省、造價低、堅固耐用；

（2）太陽能電池方陣支架設計成地面安裝支架為宜；

（3）太陽能電池支架選用5 號鍍鋅角鋼制造，其強度可達到承受12 級大風的吹刮；

（4）太陽能電池方陣支架的連接件，包括組件和支架的連接件、支架和螺栓的連接件，都采用不銹鋼材料。主要連接螺栓直徑大于M16，地基連接螺栓直徑大于20 mm。

（5）為了保證太陽能在全年能最大程度的輻照到電池陣，在電池陣兩側及前方20 m 內不能有高于1 m 的建筑物或樹木。在20 m 以外的周邊范圍不得有高于5 m 的建筑物或樹木。

（6）供電系統控制設備（充電器、逆變器、蓄電池、防雷器）應放置在室內并安裝空調，盡可能提供少塵、控溫的工作場所。

3.2 機房布置

機房設計根據充電控制器、蓄電池組、逆變器、交流配電柜的尺寸大小，確定太陽能控制機房的面積大小、高度以及材料。

3.3 設備維護

太陽能電池板每隔7 天（如果惡劣天氣，建議每天一次）應清掃一次灰塵，防止因灰塵而降低電池板的轉換效率。

4 太陽能供電系統的設備及施工明細

太陽能供電系統的設備及施工明細見表3。

表3 太陽能供電系統的設備及施工明細

5 結束語

通過對10 kW 小型太陽能供電系統的組成、工作原理、方案設計、設備選擇以及施工與維護的闡述，小型太陽能供電系統具有節能效果顯著、安裝容易、使用方便等優點。該供電系統特別適用于高校單體實驗室、學術報告廳、會議室和計算機房等安裝使用。其意義不僅具有節能的作用，還具有新能源、低碳、綠色推廣等應用價值。