李可為，張祥軍，羅 樂，孫玉芳

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

隨著全球向低碳經(jīng)濟的縱深發(fā)展，我國大力推進低碳經(jīng)濟發(fā)展等多重路徑，并確定新能源開發(fā)和能效提高為重點投資領(lǐng)域，這給可再生能源之一的太陽能的開發(fā)和利用帶來了很好的發(fā)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(dāng)，適用性強的小型太陽能供電系統(tǒng)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(tǒng)的組成及工作原理

1.1 太陽能供電系統(tǒng)的組成

太陽能供電系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)電壓和容量的要求，通過不同個數(shù)的串聯(lián)與并聯(lián)方式組成。一般常規(guī)太陽電池組件標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)輸出要求對220 V 電池組充電，則太陽電池組件的串聯(lián)個數(shù)為18 片。并聯(lián)數(shù)則取決于系統(tǒng)對方陣的功率要求，即總功率除以串聯(lián)個數(shù)與單個組件功率的乘積。

對于太陽能供電系統(tǒng)，特別是針對本項目，供電系統(tǒng)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(fù)載供電，優(yōu)先級別為：太陽能、蓄電池組、市電。系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理

太陽能發(fā)電是利用以光伏效應(yīng)原理制成的太陽能電池將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方式。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)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(fā)電原理基本相同?，F(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程，P 型晶體硅經(jīng)過外延等摻雜技術(shù)可得N 型硅，形成PN 結(jié)。當(dāng)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(fā)生了躍遷，進入導(dǎo)帶成為自由電子，在PN 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)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(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是，光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

當(dāng)太陽光線正常情況時，太陽能電池板組件將太陽光轉(zhuǎn)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(fù)載所需的380 V/220 V交流電壓，然后通過配電柜輸出給負(fù)載使用。

當(dāng)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(fù)載使用；二是當(dāng)蓄電池組能量耗盡時，逆變器將自動轉(zhuǎn)入市電工作狀態(tài)，將市電（圖中未畫出）通過配電柜輸出給負(fù)載使用。

2 太陽能供電系統(tǒng)的方案設(shè)計及設(shè)備選擇

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

（1）逆變器選用應(yīng)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(yōu)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(shè)計使用壽命5年，鉛酸免維護。如果發(fā)電功率按10 kW 設(shè)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(tǒng)工作時間，本供電系統(tǒng)蓄電池供電時間按2 h 配置；關(guān)于蓄電池型號及數(shù)量，本供電系統(tǒng)采用10 kW 逆變器，根據(jù)蓄電池容量計算公式（P/VDC）/C 放＝Ah（電池總?cè)萘浚?，?0000/220）/0.42=100Ah，常規(guī)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(shù)量為VDC/12=18 節(jié)，因此需18 節(jié)12 V 100 A·h 電池。

（3）充電器選用應(yīng)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(shù)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(tǒng)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(shù)為直流220 V/56 A 即12.32 kW。

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

（5）配電柜采用國產(chǎn)普通柜體，斷路開關(guān)采用

表1 太陽電池板相關(guān)參數(shù)

ABB/MGE 等國際知名品牌，相關(guān)參數(shù)如表2。

3 太陽能供電系統(tǒng)的實施

3.1 設(shè)備安裝

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

表2 斷路開關(guān)相關(guān)參數(shù)

（1）太陽能電池方陣支架的施工和制造應(yīng)該用材省、造價低、堅固耐用；

（2）太陽能電池方陣支架設(shè)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(fēng)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(cè)及前方20 m 內(nèi)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(tǒng)控制設(shè)備（充電器、逆變器、蓄電池、防雷器）應(yīng)放置在室內(nèi)并安裝空調(diào)，盡可能提供少塵、控溫的工作場所。

3.2 機房布置

機房設(shè)計根據(jù)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(shè)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(yīng)清掃一次灰塵，防止因灰塵而降低電池板的轉(zhuǎn)換效率。

4 太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)備及施工明細

太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)備及施工明細見表3。

表3 太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)備及施工明細

5 結(jié)束語

通過對10 kW 小型太陽能供電系統(tǒng)的組成、工作原理、方案設(shè)計、設(shè)備選擇以及施工與維護的闡述，小型太陽能供電系統(tǒng)具有節(jié)能效果顯著、安裝容易、使用方便等優(yōu)點。該供電系統(tǒng)特別適用于高校單體實驗室、學(xué)術(shù)報告廳、會議室和計算機房等安裝使用。其意義不僅具有節(jié)能的作用，還具有新能源、低碳、綠色推廣等應(yīng)用價值。