城市住宅家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的探討

曾暢

成都市第七中學(xué)國(guó)際部2015級(jí)高二（1）班

城市住宅家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的探討

曾暢

成都市第七中學(xué)國(guó)際部2015級(jí)高二（1）班

根據(jù)城市住宅建筑的特點(diǎn)，文章介紹了家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能光伏電池板安裝位置的選擇要點(diǎn)以及注意事項(xiàng)；結(jié)合城市住宅的特點(diǎn)文章提出了合理選擇家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)方案以及主要設(shè)備的選擇要點(diǎn)；文章最后給出了一個(gè)住宅建筑家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例以及常用計(jì)算方法。

城市住宅；太陽(yáng)能；光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏電池板；蓄電池；控制器；逆變器

1 引言

太陽(yáng)能作為一種被廣泛應(yīng)用的清潔、高效、取之不歇的資源越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視以及大眾的喜愛(ài)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體材料上把光能轉(zhuǎn)換為電能的效應(yīng)（光伏效應(yīng)）進(jìn)行發(fā)電。曾幾何時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)身邊已經(jīng)有了很多利用太陽(yáng)能光伏效應(yīng)發(fā)電的產(chǎn)品，例如：太陽(yáng)能小風(fēng)扇、太陽(yáng)能手機(jī)充電電源、太陽(yáng)能計(jì)算器等。這些太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)品大多數(shù)體積較小、攜帶方便，既節(jié)約了能源又方便了我們?nèi)粘Ｉ畹男枰钍苋藗兊南矏?ài)。隨著世界各國(guó)對(duì)利用太陽(yáng)能資源建立低碳經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重視，世界上很多國(guó)家制定了家庭利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策。例如：美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)家用安裝太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)給予30%的稅收信用優(yōu)惠；中國(guó)對(duì)家庭利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電并接入國(guó)家電網(wǎng)提供了優(yōu)惠電價(jià)以及安裝補(bǔ)貼費(fèi)。

在城市里家庭利用太陽(yáng)能進(jìn)行光伏發(fā)電用于我們的日常生活有一定的特殊性。本文通過(guò)對(duì)城市住宅建筑的特點(diǎn)分析，探討城市住宅家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案選擇和配置，供大家參考。

2 根據(jù)城市住宅建筑的特點(diǎn)選擇太陽(yáng)能光伏電池板安裝位置

在城市里，家庭的主要居住環(huán)境包括多層或高層單元式住宅樓、單層或多層別墅類(lèi)住宅建筑等。對(duì)于單層或多層別墅類(lèi)住宅建筑，建筑屋頂及周?chē)歉骷彝プ约旱漠a(chǎn)權(quán)時(shí)，太陽(yáng)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(duì)于多層或高層單元式住宅建筑，因?yàn)楹芏嘧舨粨碛薪ㄖ蓓數(shù)氖褂脵?quán)，太陽(yáng)能光伏電池板可安裝在最佳方向的陽(yáng)臺(tái)、外窗、外墻等處。

2.1 為提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電的效率，安裝太陽(yáng)能光伏電池板應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥冗M(jìn)行最佳方向的選擇

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

對(duì)于我國(guó)（北半球）城市里住宅建筑內(nèi)的家庭，建議盡量把太陽(yáng)能光伏電池板方位角正對(duì)正南方作為太陽(yáng)能光伏電池板初步的最佳方向。在安裝完太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)后可通過(guò)測(cè)量?jī)x表微量調(diào)整太陽(yáng)能光伏電池板的方位角。太陽(yáng)能光伏電池板的傾斜角應(yīng)調(diào)整為太陽(yáng)能光伏電池板發(fā)電量為最大時(shí)的最佳傾斜角。此角度與住宅的地理緯度有關(guān)。通過(guò)實(shí)測(cè)和計(jì)算后，在國(guó)家規(guī)范中公布了“全國(guó)主要城市太陽(yáng)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(jù)光伏電池板實(shí)測(cè)的最大發(fā)電量進(jìn)行調(diào)整。

2.2 太陽(yáng)能光伏電池板的安裝位置選擇的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

（1）在考慮安裝位置時(shí)，還應(yīng)考慮附近是否有建筑物、樹(shù)木等產(chǎn)生的陰影對(duì)光伏電池板接收太陽(yáng)能的影響。

（2）當(dāng)?shù)赜薪?jīng)常性降雪、降雨、大風(fēng)時(shí)，太陽(yáng)能光伏電池板應(yīng)安裝牢固，并有讓雨水、雪水自動(dòng)流淌的措施。

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

3 結(jié)合城市住宅的特點(diǎn)合理選擇家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

3.1 城市住宅建筑里選擇家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)方案時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)人身安全的影響

家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)因家庭環(huán)境的復(fù)雜性，選用的光伏電池板組合的電壓應(yīng)盡量采用安全電壓。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的安全電壓為50V及以下，人在接觸此電壓時(shí)可不致使人直接致死或致殘。系統(tǒng)中的導(dǎo)線應(yīng)穿管敷設(shè)。

（2）家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)家庭生活環(huán)境安全的影響

家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由各種電氣設(shè)備組成，蓄電池?fù)]發(fā)的氣體以及部分劣質(zhì)電氣設(shè)備和導(dǎo)線發(fā)熱產(chǎn)生的氣體對(duì)家庭生活環(huán)境有一定影響。所以，家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池以及電氣設(shè)備應(yīng)盡量安裝在室外、屋頂或有通風(fēng)的獨(dú)立房間、空間內(nèi)。請(qǐng)選用合格、環(huán)保的電氣設(shè)備和導(dǎo)線。

（3）家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)有完備的電氣保護(hù)措施

家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)從光伏電池板發(fā)電到最后輸出至用電設(shè)備應(yīng)有斷路器、熔斷器等保護(hù)措施，防止因電氣設(shè)備、導(dǎo)線的故障等原因引起電氣火災(zāi)、觸電事故等安全問(wèn)題。

3.2 城市住宅建筑里家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)方案的選擇

家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否向外輸出發(fā)電量分為以下兩類(lèi)：

第一類(lèi)為不帶儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)（一般為蓄電池）。常用的形式為：日照期間負(fù)載由光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量供電，多余電量并網(wǎng)賣(mài)給公共電網(wǎng)，日照不足期間由公共電網(wǎng)供電給家庭用戶。此系統(tǒng)因沒(méi)有儲(chǔ)能裝置，可大幅較少系統(tǒng)投資成本。對(duì)于年平均日照時(shí)間較長(zhǎng)、日輻射量較大的地區(qū)建議采用此系統(tǒng)。

第二類(lèi)為帶儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)。常用的形式為：日照期間負(fù)載由光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量供電，并把多余電量存儲(chǔ)于儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能裝置充滿電量后再把剩余電量并網(wǎng)賣(mài)給公共電網(wǎng)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電量不能滿足用電要求時(shí)，由公共電網(wǎng)供電。此系統(tǒng)可稱(chēng)為“帶儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)”，對(duì)于年平均日照時(shí)間較短、日輻射量較小的地區(qū)建議主要采用此系統(tǒng)。

這類(lèi)系統(tǒng)因條件所限，不能或不便與住宅建筑的公共電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，可以采用獨(dú)立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。根據(jù)我國(guó)規(guī)范要求“年平均日照時(shí)間大于1800小時(shí)的場(chǎng)所，可獨(dú)立采用太陽(yáng)光伏電源供電。”一年按365天計(jì)算，也就是說(shuō)，年平均日照時(shí)間大于4.93h時(shí)，可采用獨(dú)立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。年平均日照時(shí)間較小時(shí)，可采用光伏-備用電源互補(bǔ)的獨(dú)立電源系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖詳圖1。

圖1 獨(dú)立的光伏-備用電源互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)目前城市單元式住宅建筑的供電公共電網(wǎng)的情況，在交付房屋入住時(shí)供電電網(wǎng)均已安裝完善，并沒(méi)有預(yù)留住宅用戶安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)接口。單元式住宅建筑的用戶建議采用“獨(dú)立的光伏-備電互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)”。對(duì)于別墅類(lèi)建筑，因?qū)ΜF(xiàn)有供電系統(tǒng)改造相對(duì)容易，可采用“帶儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)”。

4 城市住宅建筑太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備的選擇

4.1 光伏電池板組件的構(gòu)成

主要組件包括：光伏電池、支架、旁路二極管以及相應(yīng)的管線等。

目前光伏電池主要包括有：?jiǎn)尉Ч韫夥姵亍⒍嗑Ч韫夥姵亍⒎蔷Ч瑁ㄈ嵝员∧ぃ┕夥姵氐取?/p>

多晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，在光照充足的地方可采用多晶硅光伏電池可以節(jié)約投資成本。

單晶硅光伏電池光-電轉(zhuǎn)換效率比多晶硅高，因單晶硅光伏電池內(nèi)雜質(zhì)少，電性能參數(shù)比較穩(wěn)定，在陰雨天較多，陽(yáng)光相對(duì)不足的地區(qū)宜采用單晶硅光伏電池。

非晶硅光伏電池轉(zhuǎn)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(yáng)光波長(zhǎng)，在陰天或微弱陽(yáng)光下也能有較佳的運(yùn)行效率。非晶硅光伏電池對(duì)太陽(yáng)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(duì)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(yáng)臺(tái)等多處地方。

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

4.2 蓄電池組的選擇

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備主要是蓄電池。對(duì)于一個(gè)家庭的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，蓄電池組可以由多只蓄電池串聯(lián)或并聯(lián)組成。

適合光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的蓄電池類(lèi)型包括普通鉛酸蓄電池、密封型免維護(hù)鉛酸蓄電池、膠體電池、鎳氫蓄電池等。從系統(tǒng)性能、成本等綜合考慮，深循環(huán)密封型免維護(hù)鉛酸蓄電池是家庭太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。

4.3 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)控制器的選擇

太陽(yáng)能控制器為控制太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備，并使太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)盡量處于最佳發(fā)電狀態(tài)，獲得高的發(fā)電效率。

控制器可以是獨(dú)立使用的設(shè)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(dòng)切換功能，在光伏電源系統(tǒng)發(fā)電電量不足時(shí)能自動(dòng)切換為備用電源供電（備用電源可以為公共市電電源、風(fēng)電、發(fā)電機(jī)電源等）。

在住宅建筑家用的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為節(jié)約成本以及減少系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性，建議選用有如下功能的太陽(yáng)能控制器：有所接負(fù)載短路的電路保護(hù)；有承受負(fù)載、太陽(yáng)能電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)；有承受控制器、逆變器和其他設(shè)備內(nèi)部短路的電路保護(hù)；有承受雷擊引起的擊穿保護(hù)；能防止蓄電池通過(guò)控制器向太陽(yáng)能電池組件反向放電的保護(hù)。

4.4 逆變器的選擇

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器為把直流電變換為交流電以供交流用電設(shè)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(zhuǎn)換器

在住宅建筑光伏-備用電源互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為滿足在日照條件不佳時(shí)能持續(xù)供電，當(dāng)光伏電源發(fā)電量較小不能滿足負(fù)載需要時(shí)，通過(guò)備用電源轉(zhuǎn)換器把光伏電源系統(tǒng)供電自動(dòng)切換為備用電源供電，以滿足負(fù)載的持續(xù)供電要求。

5 城市單元式住宅建筑太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)例

以成都市單元式住宅建筑一戶家庭的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為例：

5.1 相關(guān)資料收集

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例的基本資料收集表，詳表1。

表1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本資料收集表

5.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝位置的確定

根據(jù)此家庭的安裝環(huán)境條件，本實(shí)例光伏電池板及支架可固定在露臺(tái)上，并能正對(duì)正南方向安裝。太陽(yáng)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(guó)家推薦值暫定為32.67度。

5.3 確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及要達(dá)到的功能

根據(jù)家庭的需求，本實(shí)例采用家庭“獨(dú)立型帶蓄電池光伏-備用電源發(fā)電系統(tǒng)”。當(dāng)有充足日照時(shí)，由光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量對(duì)用電設(shè)備供電，并把多余電量存儲(chǔ)于蓄電池。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)電量不能滿足負(fù)載用電要求時(shí)，自動(dòng)切換為備用電源（市電電源）供電。

5.4 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的估算

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)需要計(jì)算各用電回路的功率、電流；計(jì)算太陽(yáng)能電池組容量；蓄電池組容量等。在大型的工程設(shè)計(jì)中一般采用專(zhuān)業(yè)軟件計(jì)算。

在小型的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際用電量進(jìn)行估算并根據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)整。

5.4.1 計(jì)算需要的太陽(yáng)能電池板功率

本系統(tǒng)實(shí)際有三重電源：太陽(yáng)能光伏發(fā)電電源、蓄電池電源、市電電源。當(dāng)因各種原因蓄電池供電容量不夠時(shí)，可通過(guò)控制器切換到市電電源供電。在實(shí)例的系統(tǒng)計(jì)算時(shí)可暫不考慮連續(xù)陰雨天數(shù)對(duì)系統(tǒng)計(jì)算的影響。

蓄電池電壓暫選用60Ah，12V免維護(hù)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(shù)*每日總耗電量*連續(xù)陰雨天數(shù)+每日總耗電量*蓄電池需充電天數(shù)）/蓄電池需充電天數(shù)/（日照系數(shù)*修正系數(shù)）。

其中：安全系數(shù)取1.1；連續(xù)陰雨天數(shù)取1；蓄電池需充電天數(shù)取10天；成都的日照系數(shù)為2.87；修正系數(shù)取0.88～0.9。

本實(shí)例需求的太陽(yáng)能電池板功率=（1.1*920*1+920*10）/10/（2.87*0.88）=273（W）。所以本實(shí)例可以選用300W，電壓約18V的單晶硅太陽(yáng)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(shù)*每日總耗電量*連續(xù)陰雨天數(shù)*環(huán)境溫度修正系數(shù)/放電深度/工作電壓。

其中：環(huán)境溫度修正系數(shù)：0度以上取1，-10度以上取1.1，-10度以下取1.2。

本實(shí)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(yīng)最少選用2臺(tái)60Ah的蓄電池。考慮到連續(xù)陰雨天的部分影響，蓄電池容量未充滿或停電時(shí)在夜間已使用了一部分的影響，考慮蓄電池直流電源通過(guò)逆變器變?yōu)榻涣麟娫匆约熬€路上的功率損耗影響等，本實(shí)例選用了3臺(tái)60Ah，12V的免維護(hù)鉛酸蓄電池組成180Ah，12V的蓄電池組。

5.4.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)其他主要設(shè)備的選擇

根據(jù)本實(shí)例的計(jì)算：采用了1臺(tái)輸入直流電壓12V～24V寬電壓，30A的太陽(yáng)能控制器，并自帶備用電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換器。采用了1臺(tái)500W純正正弦波逆變器，把直流12V逆變?yōu)榻涣?20V。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著光伏電池轉(zhuǎn)換效率的提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備性能的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能作為綠色清潔能源將會(huì)得到廣泛的利用。如果在城市住宅建筑中大量的采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為主要或輔助能源，將會(huì)極大的節(jié)約能源和不可再生資源，減少CO2的排放，為全社會(huì)提供一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、舒適的生活環(huán)境。

[1]中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院.JGJ203-2010民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)能源研究所.GB/T 19064-2003家用太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[3]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.16J908-5建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2016.