家庭太阳能光伏发电系统的研究

2013-12-25赵春江洪崇恩刘永生

上海节能 2013年4期

赵春江，洪崇恩，刘永生

1.上海电力学院太阳能研究所 2.上海公元太阳能有限公司

0 前言

太阳能光伏发电系统从军用到民用、从离网系统到并网系统已走过了半个多世纪的历程，发电效率不断提高，技术日益完善，发电成本逐年下降。随着科技和时代的发展，家庭太阳能光伏发电已在经济发达国家蓬勃兴起。

家庭太阳能光伏发电技术的推广和应用是家庭节能、保护环境、应对矿物能源日益枯竭的需求困境，也是人类就近利用太阳能这一最终唯一安全可靠能源的最好方式。把太阳能同生态结合起来，充分利用住宅屋顶、阳台等对人们生活无大碍的空间，安装太阳电池，把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发展成独立能源、自我循环式的新型建筑，这也是人类进步和社会、科学技术发展的必然。

我国经济实力不断壮大，民众收入逐年提高，富裕地区已经具备了推广家庭太阳能光伏发电技术的经济条件。笔者相信在国家政策和国家电网公司的大力支持下，家庭太阳能光伏发电系统这一新科技产品必将步入千家万户。本文将扼要介绍家庭离网光伏系统、家庭并网光伏系统、家庭微电网系统的研究结果。

1 家庭太阳能光伏发电系统

家庭太阳能光伏发电系统的规模通常为3～4kW，由于发电容量小，太阳电池组件串的并联数一般不会超过两个，故可省去直流汇流、直流配电、交流汇流等设施，使得系统简单明快。单体设备和工程材料的单件重量一般不超过20kg，对屋顶和室内施工非常有利。系统离负载近，能充分发挥就地发电、就地使用的优势，减少了远距离输电损失，经济效益高。

1.1 家庭离网光伏系统

离网光伏系统与公共电网没有直接的联系，其规模小至几百瓦的照明电源，大至上百千瓦的独立光伏电站。它特别适用于岛屿、深山、荒漠、大草原等无电地区，也适用于城市中铺设线路困难且成本高的场所，如书报亭、岗亭、高速公路指示灯和沿途休息场所的用电等。零售的太阳能草坪灯、太阳能计算器中的电源也是该系统技术的应用。由于离网光伏系统除了太阳能外无需外界能源支持，因此它还可用作空间站电源。家庭离网光伏系统属于上述的一种应用。

家庭离网光伏系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器四大件组成，如图1所示。

对于离网光伏系统，往往需要根据用户的要求，解决连续阴雨天的情况下不间断供电的问题。因此，当太阳电池功率规模确定后，蓄电池的配置容量往往成为设计人员的主要课题，设计过大则成本太高，设计过小则供电不足。通常在设计中还要考虑尽量采用长寿命、无二次污染、可再生利用的蓄电池。蓄电池在充放电过程中还要消耗相当一部分电能，包括其自放电的损耗，蓄电系统的总体效率一般为75%左右，导致离网光伏系统总体效率下降到60%甚至更低，因此在能采用辅助电源的情况下，一般应避免采用大量蓄电池，而是采用由辅助发电设备与适量蓄电池配合的方式。

2001年上海交通大学生态房建立了一套小型家庭离网光伏系统，系统由1770W太阳电池、8块12V/200Ah的铅酸蓄电池、充放电控制器和离网逆变器等构成，图2展示了安装在屋顶的光伏建筑一体化太阳电池方阵。该项目主要研究光伏建筑一体化技术中屋顶与太阳电池组件的结合方法和施工技术，以及太阳电池发电过程中自身产生的热、热环境和太阳辐照三者的热效应对太阳电池转换效率的影响[1]。同时，对蓄电系统也进行了观察研究。通过对该系统的研究，得出了以下结论：

1）在光伏建筑一体化结构中，只要通风设计良好，太阳电池方阵背面温度的上升程度与野外支架型太阳电池方阵相差不大。

2）铅酸蓄电池寿命短，蓄电系统效率低，单电池自身的性能稳定和各单电池之间的性能一致性很难控制管理，需要研发新型的蓄电系统控制技术。

1.2 家庭并网光伏系统

把太阳电池发的直流电通过控制逆变装置变换成交流，经过相位整合后同电网的交流电合起来使用，采用这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。目前主要包括：无蓄电池无逆流（即不向电网倒送电）系统、有蓄电池无逆流系统（相当于离网系统）、有逆流系统（光伏系统剩余电力向电网输送，由电力部门回购）。家庭并网光伏系统通常采用有逆流方式，该方式已在经济发达国家得到大规模推广。

家庭并网光伏系统的构成极为简单，主要由太阳电池方阵、逆变器、交流保护开关箱和电表四大件组成，如图3所示。

2006年上海闵行某住宅区建立了一套家庭并网光伏系统，系统由2992W太阳电池、2.5kW并网逆变器、交流保护开关箱和计量电表构成。图4展示了安装在屋顶的光伏建筑一体化太阳电池方阵。该项目主要研究在已建屋顶上如何把太阳电池组件结合到建筑上的方法和施工技术，以及以下内容[2,3]：

1)逆变器容量的最佳匹配

2)对上海地区太阳电池组件最佳安装角度上太阳辐照度的各月分布进行调查

3)对上海地区太阳电池组件最佳安装角度上的光伏系统各月发电量和年发电量进行调查

4)对家庭并网光伏系统的系统效率进行调查

5)对处于同一纬度不同安装倾角的太阳电池方阵的发电性能进行调查

6)雪灾对太阳电池方阵的发电性能的影响

研究工作至今已持续6年多，研究结果多数已发表，目前对系统运行的监测仍在进行中。通过对该系统的监测和研究，获取和整理了大量数据，为建立家庭微电网系统打下了基础。

1.3 家庭微电网系统

太阳能光伏发电尚有许多不足之处，其中最突出的问题就是发电和供电的间歇性和不稳定性（季节性、时段性、瞬时突变性），对电网的影响不言而喻。微电网技术（Micro-Grid）是解决上述问题的比较合适的手段[4]。

典型的微电网是由可再生能源电力、辅助电源和储能系统组成。通常可由太阳能光伏发电、风力发电、小水力发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来，再加入计量装置和控制管理系统，自成系统，独立于大电网或间歇与大电网连接。

在家庭并网光伏系统的技术基础上，2012年上海松江某别墅区建立了一套家庭微电网系统，系统由3.7kW太阳能光伏发电系统、0.7kW家庭用热电联供燃料电池、4.8kWh磷酸铁锂离子蓄电池组以及700Wh锂离子超级电容高速电力调衡系统构成，另有2台40W供电力调控用的排风扇，整个系统运行全部自动控制。其原理如图5所示，各主体设备如图6所示。另外，根据前期研究结果[5]，对光伏建筑一体化（BIPV）结构做了些改进，如图7所示。并网后将尽量抑制逆送电，以减少对电网的干扰。也即形成了自给自足的家庭供电系统。

家庭微电网系统的研究工作是建立在对家庭并网光伏系统的研究基础上。研究内容主要放在控制技术和控制参数上。光伏系统自2012年6月12日投入运行以来，一直工作稳定。燃料电池等各主体设备正在进行调试，微电网系统整体控制用软硬件也在研发中。