■ 徐雙信 劉志尚 徐軒

"(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟廣播電視局)

本文作者多年從事太陽電池的應(yīng)用普及工作，現(xiàn)將應(yīng)用實(shí)踐中積累的一些經(jīng)驗(yàn)整理成文，供愛好者參考，歡迎不同見解者提出不同看法及意見。

一 配置蓄電池和太陽電池

在設(shè)計大、中型光伏電站時，現(xiàn)有一套科學(xué)完整的計算方法。但照搬這種方法設(shè)計家用小型供電系統(tǒng)，既復(fù)雜又麻煩，并且未必適用。

經(jīng)過長期測試得出：光伏行業(yè)比較認(rèn)同的太陽電池的充電量是每瓦每天0.34安培·小時，這是一個基本常數(shù)。但我國地域遼闊，隨著經(jīng)緯度的不同，各地的日照時間、強(qiáng)度差別很大，如南方和北方、冬季和夏季，以及不同時間不同地理環(huán)境都存在差異。這就要求讀者在實(shí)際應(yīng)用時要靈活使用這個常數(shù)。有關(guān)專家學(xué)者經(jīng)過測試把我國年平均日照時間按地區(qū)分布不同劃分為五類，讀者可按自己所在地區(qū)的日照時間基本確定一個參數(shù)作為依據(jù)進(jìn)行計算。

在具體設(shè)計計算時，一般先計算用電量(負(fù)載情況)，然后再根據(jù)用電量計算該配置多大的蓄電池、逆變器以及太陽電池。

1 用電量的計算

先用功率除以電瓶電壓計算出用電電流，再乘以該用電器要使用的時間，這樣一個用電器的用電量就基本計算出來了。

例如：一個家庭有一臺21英寸彩電，2個10瓦的節(jié)能燈。21英寸彩電大約是70瓦，即家庭用電總功率為90瓦。假如用12伏蓄電池逆變供電，那么放電電流約為90/12=7.5安培(未考慮逆變器損耗，設(shè)計24伏系統(tǒng)就除以24)，每天按4個小時計算即30安培·小時。

2 蓄電池容量的選擇

首先蓄電池的容量選擇要大于每天的用電量，考慮到陰雨天、轉(zhuǎn)換效率等因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般按用電量的3～4倍選取較為合理。蓄電池選100～120安培·小時較為合適。然而蓄電池并不是越大越好，容量大但每天充不滿，會使蓄電池長期處于虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命。

除上述方法外，還可按太陽電池每天的充電量進(jìn)行蓄電池的選取。若每天的充電量遠(yuǎn)大于用電量，蓄電池可以配的再大一些。若太陽電池充電量等于或小于每天的用電量，蓄電池則要配的小一些。

總之，配置蓄電池要遵循一定原則，并在實(shí)踐中靈活掌握。

3 太陽電池的選擇

太陽電池的配置也是根據(jù)用電量計算的。選配太陽電池的原則是：太陽電池每天的發(fā)電量大于用電量，一般選擇每天用電量的1.5～2倍即可。因?yàn)樘栯姵卦靸r較高，多余配置勢必造成不必要的浪費(fèi)；而配置過小會造成對蓄電池充電不足，使蓄電池處于虧電工作狀態(tài)，從而縮短蓄電池壽命或損壞蓄電池。根據(jù)使用情況，太陽電池可通過串并聯(lián)的方式隨時增減，非常方便。

按上述舉例計算，這個家庭每天的用電量是30安培·小時。如果配100瓦太陽電池，正好每天充電量是100瓦×0.34＝34(安培·小時)，這樣設(shè)計既能滿足這個家庭每天的用電量，還有多余的電量儲存起來，遇到陰雨天或大用電量時可應(yīng)急使用。

4 逆變器的選擇

逆變器制造技術(shù)在國內(nèi)日趨成熟，品種也很多。選擇逆變器時需要注意：

第一，輸出功率應(yīng)大于用電負(fù)載的3～5倍左右。這樣逆變器長期工作在小負(fù)荷狀態(tài)，對使用壽命有好處。當(dāng)然逆變器輸出功率越大，自身功耗也越大，過大會加大電力損耗，得不償失。

第二，盡量選擇逆變效率高的逆變器。這樣在逆變過程中可以盡量減少對電力的損耗。

第三，選擇保護(hù)功能完善的逆變器。起碼要有過載、欠壓、接反保護(hù)功能，不僅使用方便，還可以起到保護(hù)蓄電池的作用。

第四，應(yīng)選擇輸出為正弦波的逆變器。一般小型逆變器輸出大多數(shù)為方波，當(dāng)使用感性負(fù)載電器時電壓回落嚴(yán)重，還帶來噪音，因此選擇正弦波逆變器對使用感性負(fù)載的電器是有好處的。

以上方法是內(nèi)蒙古西部地區(qū)長期應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，讀者可到當(dāng)?shù)貧庀蟛块T調(diào)查全年的日照時間，然后根據(jù)這個時間選取一個常數(shù)，確定自己的設(shè)計方案。

二 系統(tǒng)電壓的設(shè)計

設(shè)備選型確定后，下一步就是設(shè)計系統(tǒng)的電壓等級。系統(tǒng)電壓等級越低，線路損耗越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，200瓦以下負(fù)載功率小的系統(tǒng)，選擇12伏的電壓等級；負(fù)載功率200～1000 瓦的系統(tǒng)，考慮采用24伏的電壓等級；負(fù)載功率在1000瓦以上，建議采用48伏電壓等級系統(tǒng)供電。

不管采用哪種系統(tǒng)電壓等級，所有連接線要盡量短并且有足夠的載流截面積。電壓越低線徑要求越大，線徑不夠或過長，都會大量損耗電量。當(dāng)使用12伏系統(tǒng)時，太陽電池可以是單數(shù)，也可以是雙數(shù)；12伏以上的系統(tǒng)，太陽電池都是2～4個一組。

圖1 24V供電系統(tǒng)圖

三 充電控制器

太陽電池充電控制器所起的作用是當(dāng)蓄電池充滿后，自動停止向電池充電或改為浮充充電，有些還具備用電欠壓保護(hù)功能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在小型光伏系統(tǒng)里可以不配置充電控制器，一來小型光伏系統(tǒng)每日發(fā)電量較少，發(fā)生蓄電池過充的情況幾乎為零；二來控制器本身要消耗一部分電能，因此加控制器是多此一舉。其實(shí)在實(shí)際充電過程中，隨著蓄電池電壓的升高，太陽電池會自動降低充電電流。當(dāng)然在無人值守且容量較大的光伏電站或充電量遠(yuǎn)大于用電量的系統(tǒng)里使用相應(yīng)功率的控制器會更好。

為防止夜間蓄電池內(nèi)的電能回流到太陽電池，在太陽電池的正極到電瓶正極之間連接一個能通過足夠電流的二極管即可。有的系統(tǒng)采取泄荷的辦法，就是當(dāng)蓄電池充滿后有一個自動放電的電路并帶有用電器，當(dāng)蓄電池充滿后自動接通用電器將多余的電放掉。實(shí)際這種辦法可使太陽電池任何時間都處在工作狀態(tài)，對太陽電池有好處(太陽電池在光照條件下，空載時電壓升高，對太陽電池本身不好)。

四 實(shí)際應(yīng)用中需注意的幾個問題

1 如何發(fā)揮太陽電池的最大效能

太陽電池從分類講有單晶硅、多晶硅和非晶硅之分，種類不同，轉(zhuǎn)換效率也不同。如果經(jīng)濟(jì)允許，在購買時應(yīng)盡量選擇轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅太陽電池。

文中所提到的0.34，是把太陽電池固定安裝在向著正南方向，仰角為當(dāng)?shù)鼐暥?5度所得出的一個常數(shù)。實(shí)際太陽電池是太陽的照射和電池板呈90度(及直射)時發(fā)電量最大。如果要提高太陽電池的充電量，需要讓太陽電池隨著太陽的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動?？蓪⑻栯姵丶茏龀缮舷伦笥铱尚D(zhuǎn)式，每天早上向東，中午向南，下午向西各旋轉(zhuǎn)一次，雖然較為麻煩，但比原來固定架子的充電量可提高30%～50%左右，一般每年在冬夏兩季各調(diào)整一次仰角。

愛好者可以嘗試設(shè)計一種自動隨太陽旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，從理論上講是可行的。但我們認(rèn)為這樣的設(shè)備造價過高，設(shè)計復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)部分還要用去一部分電力，做的不好可能會適得其反。

2 太陽電池的玻璃應(yīng)保持表面清潔

太陽電池的玻璃是一種透光極好的鋼化玻璃，當(dāng)表面上有灰塵遮擋時會降低充電電流。

3 應(yīng)用太陽能電力時節(jié)約電能

太陽電池發(fā)電是低壓直流電，而在日常生活中很多電器也是采取直流低壓供電的。一般情況下，把蓄電池的直流電經(jīng)過逆變變成220伏的交流電，用電器工作時再將220伏的交流電降壓整流變成12伏直流電供負(fù)載使用，這個過程會損耗相當(dāng)部分電能。因此建議將家用電器中，能用直流供電的全部改成直接使用直流供電，這樣既對用電器有好處，還可節(jié)約大量電能。例如17寸黑白電視機(jī)，用交流供電時大約是18～20瓦，改成直流供電則只有10瓦。在使用照明燈具時，還是選擇220伏交流供電為好，因?yàn)榈蛪汗╇姷木€路延長會將大部分電能損耗在線路上，當(dāng)然燈具要盡量選擇節(jié)能燈。

若需要通過太陽能供電系統(tǒng)使用冰箱或冰柜，建議盡量選擇容量小的節(jié)能冰柜，采取快速冷凍的辦法降到所需溫度后，減少開箱次數(shù)，然后停止向其供電，以減少頻繁啟動次數(shù)達(dá)到節(jié)能目的。

五 做好日常的維護(hù)工作

一套小型家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)一次性投資，少則3000～5000元，多則上萬元，做好日常維護(hù)直接與設(shè)備使用壽命相關(guān)。日常保養(yǎng)主要注意以下幾個方面：

1 太陽電池要定期檢查接線有無松動和氧化，防止因接觸不好或電阻增大造成不充電；要保持電池板表面清潔，防止沾滿灰塵造成充電量下降；安裝時要焊接結(jié)實(shí)穩(wěn)定的支撐架，防止風(fēng)的張力對太陽電池造成損壞。

2 在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中維護(hù)最麻煩且最容易損壞的就是蓄電池，因此對蓄電池的維護(hù)就尤為重要，本文主要介紹開口式鉛酸蓄電池的簡單維護(hù)。

首先當(dāng)蓄電池液面低于上刻度線時要及時添加蒸餾水。注意：蓄電池使用過程中揮發(fā)掉的是水分，所以當(dāng)液面低于刻度線時只需加蒸餾水，一般不加電解液。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使用一年后的電瓶因有時過充沸騰會造成電解液損失時，可適當(dāng)增加一點(diǎn)電解液；北方冬季也可適當(dāng)增加一點(diǎn)電解液，以提高濃度加快化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

其次開口式蓄電池最容易因電液外流造成連接樁腐蝕，使得接觸不好電阻增大，造成很多故障。因此要定期對極柱進(jìn)行清理，以保持極樁和用電器連接線之間的良好接觸。

3 如果使用方波逆變器應(yīng)盡量少帶感性負(fù)載，使用不當(dāng)會使逆變器損壞。一般較好的逆變器不用過多維護(hù)，保持清潔和接線牢固即可。

圖2

此支架用1.5～2寸鋼管套起，在電池板面積小的情況下可以安裝4塊電池板，當(dāng)太陽電池數(shù)量更多時，可再作支架分開安裝。太陽電池到蓄電池的連接線可通過鋼管穿入埋設(shè)PVC管分組走線。