家用小型太阳能供电站的简单设计和使用

■ 徐双信 刘志尚 徐轩

"(1.中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院；2.内蒙古阿拉善盟广播电视局)

本文作者多年从事太阳电池的应用普及工作，现将应用实践中积累的一些经验整理成文，供爱好者参考，欢迎不同见解者提出不同看法及意见。

一 配置蓄电池和太阳电池

在设计大、中型光伏电站时，现有一套科学完整的计算方法。但照搬这种方法设计家用小型供电系统，既复杂又麻烦，并且未必适用。

经过长期测试得出：光伏行业比较认同的太阳电池的充电量是每瓦每天0.34安培·小时，这是一个基本常数。但我国地域辽阔，随着经纬度的不同，各地的日照时间、强度差别很大，如南方和北方、冬季和夏季，以及不同时间不同地理环境都存在差异。这就要求读者在实际应用时要灵活使用这个常数。有关专家学者经过测试把我国年平均日照时间按地区分布不同划分为五类，读者可按自己所在地区的日照时间基本确定一个参数作为依据进行计算。

在具体设计计算时，一般先计算用电量(负载情况)，然后再根据用电量计算该配置多大的蓄电池、逆变器以及太阳电池。

1 用电量的计算

先用功率除以电瓶电压计算出用电电流，再乘以该用电器要使用的时间，这样一个用电器的用电量就基本计算出来了。

例如：一个家庭有一台21英寸彩电，2个10瓦的节能灯。21英寸彩电大约是70瓦，即家庭用电总功率为90瓦。假如用12伏蓄电池逆变供电，那么放电电流约为90/12=7.5安培(未考虑逆变器损耗，设计24伏系统就除以24)，每天按4个小时计算即30安培·小时。

2 蓄电池容量的选择

首先蓄电池的容量选择要大于每天的用电量，考虑到阴雨天、转换效率等因素，根据经验一般按用电量的3～4倍选取较为合理。蓄电池选100～120安培·小时较为合适。然而蓄电池并不是越大越好，容量大但每天充不满，会使蓄电池长期处于亏电状态，影响蓄电池寿命。

除上述方法外，还可按太阳电池每天的充电量进行蓄电池的选取。若每天的充电量远大于用电量，蓄电池可以配的再大一些。若太阳电池充电量等于或小于每天的用电量，蓄电池则要配的小一些。

总之，配置蓄电池要遵循一定原则，并在实践中灵活掌握。

3 太阳电池的选择

太阳电池的配置也是根据用电量计算的。选配太阳电池的原则是：太阳电池每天的发电量大于用电量，一般选择每天用电量的1.5～2倍即可。因为太阳电池造价较高，多余配置势必造成不必要的浪费；而配置过小会造成对蓄电池充电不足，使蓄电池处于亏电工作状态，从而缩短蓄电池寿命或损坏蓄电池。根据使用情况，太阳电池可通过串并联的方式随时增减，非常方便。

按上述举例计算，这个家庭每天的用电量是30安培·小时。如果配100瓦太阳电池，正好每天充电量是100瓦×0.34＝34(安培·小时)，这样设计既能满足这个家庭每天的用电量，还有多余的电量储存起来，遇到阴雨天或大用电量时可应急使用。

4 逆变器的选择

逆变器制造技术在国内日趋成熟，品种也很多。选择逆变器时需要注意：

第一，输出功率应大于用电负载的3～5倍左右。这样逆变器长期工作在小负荷状态，对使用寿命有好处。当然逆变器输出功率越大，自身功耗也越大，过大会加大电力损耗，得不偿失。

第二，尽量选择逆变效率高的逆变器。这样在逆变过程中可以尽量减少对电力的损耗。

第三，选择保护功能完善的逆变器。起码要有过载、欠压、接反保护功能，不仅使用方便，还可以起到保护蓄电池的作用。

第四，应选择输出为正弦波的逆变器。一般小型逆变器输出大多数为方波，当使用感性负载电器时电压回落严重，还带来噪音，因此选择正弦波逆变器对使用感性负载的电器是有好处的。

以上方法是内蒙古西部地区长期应用的经验总结，读者可到当地气象部门调查全年的日照时间，然后根据这个时间选取一个常数，确定自己的设计方案。

二 系统电压的设计

设备选型确定后，下一步就是设计系统的电压等级。系统电压等级越低，线路损耗越大。根据经验，200瓦以下负载功率小的系统，选择12伏的电压等级；负载功率200～1000 瓦的系统，考虑采用24伏的电压等级；负载功率在1000瓦以上，建议采用48伏电压等级系统供电。

不管采用哪种系统电压等级，所有连接线要尽量短并且有足够的载流截面积。电压越低线径要求越大，线径不够或过长，都会大量损耗电量。当使用12伏系统时，太阳电池可以是单数，也可以是双数；12伏以上的系统，太阳电池都是2～4个一组。

图1 24V供电系统图

三 充电控制器

太阳电池充电控制器所起的作用是当蓄电池充满后，自动停止向电池充电或改为浮充充电，有些还具备用电欠压保护功能。根据经验，在小型光伏系统里可以不配置充电控制器，一来小型光伏系统每日发电量较少，发生蓄电池过充的情况几乎为零；二来控制器本身要消耗一部分电能，因此加控制器是多此一举。其实在实际充电过程中，随着蓄电池电压的升高，太阳电池会自动降低充电电流。当然在无人值守且容量较大的光伏电站或充电量远大于用电量的系统里使用相应功率的控制器会更好。

为防止夜间蓄电池内的电能回流到太阳电池，在太阳电池的正极到电瓶正极之间连接一个能通过足够电流的二极管即可。有的系统采取泄荷的办法，就是当蓄电池充满后有一个自动放电的电路并带有用电器，当蓄电池充满后自动接通用电器将多余的电放掉。实际这种办法可使太阳电池任何时间都处在工作状态，对太阳电池有好处(太阳电池在光照条件下，空载时电压升高，对太阳电池本身不好)。

四 实际应用中需注意的几个问题

1 如何发挥太阳电池的最大效能

太阳电池从分类讲有单晶硅、多晶硅和非晶硅之分，种类不同，转换效率也不同。如果经济允许，在购买时应尽量选择转换效率较高的单晶硅太阳电池。

文中所提到的0.34，是把太阳电池固定安装在向着正南方向，仰角为当地纬度+5度所得出的一个常数。实际太阳电池是太阳的照射和电池板呈90度(及直射)时发电量最大。如果要提高太阳电池的充电量，需要让太阳电池随着太阳的转动而转动。可将太阳电池架做成上下左右可旋转式，每天早上向东，中午向南，下午向西各旋转一次，虽然较为麻烦，但比原来固定架子的充电量可提高30%～50%左右，一般每年在冬夏两季各调整一次仰角。

爱好者可以尝试设计一种自动随太阳旋转的设备，从理论上讲是可行的。但我们认为这样的设备造价过高，设计复杂，旋转部分还要用去一部分电力，做的不好可能会适得其反。

2 太阳电池的玻璃应保持表面清洁

太阳电池的玻璃是一种透光极好的钢化玻璃，当表面上有灰尘遮挡时会降低充电电流。

3 应用太阳能电力时节约电能

太阳电池发电是低压直流电，而在日常生活中很多电器也是采取直流低压供电的。一般情况下，把蓄电池的直流电经过逆变变成220伏的交流电，用电器工作时再将220伏的交流电降压整流变成12伏直流电供负载使用，这个过程会损耗相当部分电能。因此建议将家用电器中，能用直流供电的全部改成直接使用直流供电，这样既对用电器有好处，还可节约大量电能。例如17寸黑白电视机，用交流供电时大约是18～20瓦，改成直流供电则只有10瓦。在使用照明灯具时，还是选择220伏交流供电为好，因为低压供电的线路延长会将大部分电能损耗在线路上，当然灯具要尽量选择节能灯。

若需要通过太阳能供电系统使用冰箱或冰柜，建议尽量选择容量小的节能冰柜，采取快速冷冻的办法降到所需温度后，减少开箱次数，然后停止向其供电，以减少频繁启动次数达到节能目的。

五 做好日常的维护工作

一套小型家用太阳能发电系统一次性投资，少则3000～5000元，多则上万元，做好日常维护直接与设备使用寿命相关。日常保养主要注意以下几个方面：

1 太阳电池要定期检查接线有无松动和氧化，防止因接触不好或电阻增大造成不充电；要保持电池板表面清洁，防止沾满灰尘造成充电量下降；安装时要焊接结实稳定的支撑架，防止风的张力对太阳电池造成损坏。

2 在太阳能发电系统中维护最麻烦且最容易损坏的就是蓄电池，因此对蓄电池的维护就尤为重要，本文主要介绍开口式铅酸蓄电池的简单维护。

首先当蓄电池液面低于上刻度线时要及时添加蒸馏水。注意：蓄电池使用过程中挥发掉的是水分，所以当液面低于刻度线时只需加蒸馏水，一般不加电解液。根据经验，使用一年后的电瓶因有时过充沸腾会造成电解液损失时，可适当增加一点电解液；北方冬季也可适当增加一点电解液，以提高浓度加快化学反应的发生。

其次开口式蓄电池最容易因电液外流造成连接桩腐蚀，使得接触不好电阻增大，造成很多故障。因此要定期对极柱进行清理，以保持极桩和用电器连接线之间的良好接触。

3 如果使用方波逆变器应尽量少带感性负载，使用不当会使逆变器损坏。一般较好的逆变器不用过多维护，保持清洁和接线牢固即可。

图2

此支架用1.5～2寸钢管套起，在电池板面积小的情况下可以安装4块电池板，当太阳电池数量更多时，可再作支架分开安装。太阳电池到蓄电池的连接线可通过钢管穿入埋设PVC管分组走线。