太阳能发电系统知识普及

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太阳电池大观
太阳电池板（亦称光伏组件）
光伏组件是光伏方阵中可更换的最小单元。组件支撑多块电气连接的光伏电池的集成单元，并起到保护作用。组件的电气输出决定于电池的尺寸和数量、他们的电气连接情况以及组件所处的环境条件（包括日照、温度和风速等）。光伏组件有各种各样的形状和尺寸，也可能由不同的材料制成。但是，最常用的组件是“玻璃三明治式”的，36个光伏电池串联在一起提供足够为12伏电池充电的电压。这种结构的目的是提供强度足够的保护层以防止内部电池串受到的损坏。通常组件的背面有用于互联的正负极接线柱。组件可能单独的金属框架，当多个组件安装在同一个大型的金属框架上时，每个组件必须加装橡皮垫以防止变形引起的破裂。
有四种因素影响光伏组件的输出：光伏电池的效率，负载阻抗，太阳强度和组件温度。太阳电池的效率由制造工艺决定－当前商业组件的转换效率在3%～15%（不完全统计，不排除有更高效率的）左右。负载阻抗决定了组件工作在I-V特性曲线的什么位置。最佳的工作点是能输出最大功率的地方－最大功率输出点。下面的I-V曲线代表了一个大型方阵的输出特性。



对于给定面积的太阳电池，其输出电流于太阳强度（S）成正比，而几乎与温度（T）无关。所以，太阳强度增加输出电压和功率都增加，这与温度下降的效果是一样的。温度升高一摄氏度晶体硅电池的输出电压就降低大约0.5%。因此，方阵的安装位置应当是日照最多的地方（任何时候都没有阴影），并且尽量保证上面和

下面的空气流通以保持尽可能低的温度。晶体硅电池的一小部分被遮挡，会产生孤岛效应，这将极大的降低整个组件的功率输出，并有可能导致整个组件的损坏，这一点与非晶硅电池是不同的。串联的光伏组件的电流是一样的，如果部分光伏电池被遮挡，它们就不能产生电流而被反偏（相当于一个导通的二极管）。意味着被遮挡的电池把功率以热的方式耗尽，时间过长就导致故障产生。

但是，防止偶尔的阴影也是可能的，可以通过在串联的组件上接旁通二极管实现。而且多数商业产品都在接线盒里预置了这种旁通二极管。在并联组件时就不需要旁通二极管，例如，12伏的方阵用12V的组件而多数设计人员不会使用24伏的方阵。但是对于高于24伏的方阵电压，每个组件都应加装旁通二极管以提供阴影时的额外电流通路。如果需要将组件串联，请向销售商要求加装旁路二极管。使用旁路二极管可延长组件的使用寿命，但它不能阻止由于阴影引起的能量损失。因此安装方阵时一定要检查潜在的阴影情况。要考虑到不同季节植物的变化和太阳角的改变。安装后，还要进行维护以防止野草或树枝的阴影。光伏方阵包括组单元和串单元。组单元是一组安装在同一个框架中的光伏组件。每个组单元的尺寸都应便于操作和安装。串单元可以由数个光伏组件和组单元串联组成，串单元的输出电压为系统电压。所有的光伏组件的连接器都应持久耐用。连接器应当牢固，并易于接线，同时保证接线安全。多数组件有密封的接线盒以保护接线。现场测试表明光伏组件和电池之间的连接在碾压时极少会失效。多数问题出现在组件互联的接线盒。这可以在现场修好，而不用更换组件。在购买光伏组件之前，检查接线盒，确保易于接线。端子是否很糙？有没有地方放置旁通二极管？接线盒外壳的质量怎么样？
应接入开关或者断路器以便于在维护时断开光伏方阵。这也适用于电池组，因此还需要另外的一组开关或断
路器。同样通常每路负载都应接入断路器。使用的保险丝应当能通过方阵的最大电流，该电流等于标准太阳强度（1000W瓦每平方米）的1.5倍光照条件下的短路电流。推荐使用延时保险丝。只能使用直流保险丝。光伏方阵的所有金属件都应接地以防止雷击，同时为工作人员提供的安全保证。多数光伏系统的负极接到设备的公地极。其它的绝缘和接地要求在国家标准中给出（美国为NEC）。标准化操作能保证安全可靠的光伏系统安装。

方位与朝向
光伏方阵的安装可以是与地平线成固定角度或具有太阳追踪系统的。北半球的方阵方位角推荐为正南方向。能量输出的减少与偏南方阵的角度约成余弦函数，所以如果方阵的方位角是正南偏西或东20度，年能量输出的减少不是很明显。方阵朝向偏西南是为了满足把峰值负载在下午的需要。方阵倾斜角对年能量输出的影响,如表。对于大多数地点，倾斜角度为当地纬度时可以获得最大的年发电量。倾斜角度在纬度的正负15度范围内调整可以根据冬季或夏季的负载需求。典型地区的日照数据

[I-V曲线]

系统安装

分别叙述：
光伏方阵；
蓄电池；
控制中心；
接地；

光伏方阵
离网（独立）系统的光伏方阵的安装有很多独特的创新的方法。但是，它们都有一些共同之处，方阵是否固定或追踪，安装在地面，或是楼顶。本节详细讨论方阵的方位角和倾角。
目标是能够是光伏方阵稳固的工作许多年并能抵受住各种天气。不管你是买还是自己建造安装结构，都要确保牢固支撑以及组件的固定良好。许多组件制造商和销售商同时也卖专门为自己产品设计的固定装置。这些固定件可以适用于不同的情况并有不同的安装技巧，考虑了风负荷等情况。使用这些固件最省心，同时也有可能是最便宜的途径。专门定制安装结构会比较昂贵。不同的材料成本又不尽相同：铝－轻，结实，耐腐蚀。铝角铁是一种容易加工的材料，用常用的工具就可钻孔，而且这种材料可以与多种

光伏组件框架配合。铝不容易焊接。角铁－容易加工但是也容易被腐蚀。镀锌角铁相对不易腐蚀但是安装支架或螺栓会使其生锈，特别是环境比较潮湿的时候。这种材料容易买到，可以直接焊接成支架。
木材－廉价，供应充足，易加工但是可能用不了几年就坏掉。要安装的组件需要用木条框或夹子固定。

方阵设计最基本的要求是能够满足当地风负荷的要求。风负荷决定于方阵的尺寸和倾角。可以咨询当地承包商确定固定方阵的方法。

方阵的倾角没必要根据太阳高度角随季节的变化而改变。对于中纬度地区，每三个月改变因此倾角大约增加5%的年发电量。对于大多数地区，因为增加一点发电量而额外增加人工和方阵安装的复杂度不值得。

如果需要追踪方阵面，推荐使用较少功率的单轴跟踪单元。一种使用封闭的氟利昂系统驱动的被动式追踪系统可以使方阵面能够足够精确追踪太阳，比如双海追踪器（TwoSeastracker）。在风大的地区可优先选择功率驱动追踪器。已经有安装有支持4到12伏电极的追踪器，这种追踪器通常用于独立系统，特别是提水应用中。追踪器的生产商会提供左右的方阵安贞焕硬件和指导以便保证正确的安装追踪器。带电极的追踪器的数量和基础的类型依赖于需要支持的方阵的尺寸。推荐使用地脚螺栓的钢筋混凝土。基础和框架应设计满足该地区最坏的风负荷情况。应检查方阵的运转，确保无障碍运行。

通常来说，在屋顶安装光伏组件要比地面或柱上安装复杂。屋顶安装和维护更加困难，特别是屋顶的朝向和倾角与方阵最佳角度不一致的时候。破坏屋顶防水层是不可避免的，可能导致漏水。同样，牢固和安全的连接于屋顶的支架是很重要的。把支架固定在梁上是最好的方案，但是这有时比较困难，因为组件的尺寸和梁的距离不一定匹配。如果可以安装在到房顶的下面，可以在梁和支架中间插入2×6英寸的支撑块。把方阵固定在屋顶的夹板覆层上可能会造成屋顶的损坏，特别是风很大的时候更是如此。

如果需要安装在屋顶，要确保屋顶与方阵之间的气流畅通。如果方阵距离屋顶超过3英寸，那么方阵的会保持在较低的温度从而输出更多的电量。不推荐把光伏组件与建筑屋顶平齐安装，这样组件难以测试和更换，而且方阵因为工作温度高而性能下降。

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蓄电池

蓄电池必须加以单独的保护。如果会出现结冰温度，可以把电池埋在防水的冰冻线以下的地方或者温度高于结冰点的室内。电池如果被埋在地下，需要选择良好排水的地方并且电池埋藏的地点有排水孔。电池不应当直接放在混凝土表面上（特别是潮湿的表面），这样会增加其自放电。如果使用开口蓄电池，还需要足够的通风以降低爆炸的危险。电池的存放地点应仅限于专业人士进入。严禁无人带领的小孩或宠物接近电池。商业电池封装通常教昂贵。对于小系统，结实的塑料盆可作为廉价的替代品。电池如果安装在室外的地面上要确保塑料盆能承受日晒。

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控制中心

充电控制器，变换器，或逆变器通常与开关，保险丝和其它辅助元器件同时安装在控制中心内。电子元器件必须承设计温度，不管是工作还是不工作状态下。该部分的电路板应当加装外壳或密封以保护电子元器件免受湿气和灰尘的侵蚀。应当使用合格的电气盒。可以咨询电气供应公司确定合适的接线盒类型。高温会降低电子设备的寿命。尽量把盒子安装在阴凉或者空气畅通的地方，特别是逆变器。出风口的灰尘会造成问题。一些盒子在通气口处有过滤器。过滤器需要定期清理。屏蔽进气口以防止蜘蛛、密封或其它昆虫占据。在电气盒里发饷蜂巢可能不会影响性能，但是这绝对会使维护工作很刺激。

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接地

良好的接地措施会提供独立光伏系统到地的明确的、低阻抗通路。该通路在系统功能紊乱时将故障电流导向地面，因此地线必须是系统中最大的导体。在光伏系统地和大地之间需要两种类型的接地。对于系统地，传导电流的导体，通常是负极，连接到一点。这就确定了对地的最大电压，同时提供了闪电引起的浪涌的放电通路。任何可能接触到人的暴露的金属都应接地。这包括设备盒和方阵框架。这将降低接地故障时的电击风险。

一个低阻抗的大地接地需要地极和大地的良好接触。地下水会降低接触的阻抗。如果系统是安装在多岩石的地方，就可能很难做到良好接地。咨询当地的电气工程师获取合适的建议。

光伏方阵易吸收闪电，特别当位于相对突出的高地时。特别是水泵系统因为由水井提供了极佳的接地通路更容易吸收闪电。直接的雷击或者耦合到光伏系统中的电磁能量都可能引起浪涌。防止直接被雷击的措施较困难。由附近的雷击引起的浪涌更加常见，其损坏程度取决于雷击地点与方阵的距离。备用能量存储器可以吸收雷击，价格合适，推荐使用。通常安装在方阵输出端即电子设备的直流输入端。如果使用了逆变器，其交流输出端和直流输入端都要安装浪涌保护装置。在导线外套上接地金属管并埋到地下会降低雷击的敏感性。

冬季对光伏系统是一种考验。电力需求最多而同时日照又最少。这里给出一些维护的建议，以及一些降低备用发电机使用的技巧。
维护清单
光伏方阵：检查并紧固联结螺栓和导线，测试输出，调整倾角。
跟踪器：润滑轴承，检查螺栓和减震
天然气发电机，风力发电机：参考使用手册
备用燃料系统：确定接线，并已经检查完好，随时可用。

充电控制器：检查整流器电压设置，检查电压表指示正常。如果电池温度低于55°F，应该允许充电到较高的电压（对于12伏的系统至少14.8伏）。如果你的充电控制器有温度补偿功能，会自动进行调整。如果有外接的温度传感器，确保已经贴在电池上。如果没有自动调整功能，就需要进行手动的把电压调高，并在春季时调回去（调到14.3伏）。如果充电控制器不可调，就尽量保持电池处于较温暖的环境。

蓄电池（铅酸的）：检查每块电池的电压，排除失效的，并确定是否需要均衡充电。如果需要就进行均衡充电维护（通常，在蓄电池充满后再进行8小时的中等过充）。把蓄电池上面的液体或灰尘洗净（用干燥的苏打粉中和酸性沉淀物）。清洁或更换腐蚀的接线端子。在接线端子上涂敷凡士林油以防止进一步的腐蚀。检查

电池液，如有必要补充蒸馏水或去离子水。检查通风（通风管内是否有昆虫等）。
注意：检查导线的尺寸，连接，保险丝等安全措施。
接地雷击保护：安装或检查接地柱或地线。
负载或电器：检查隐形负载或低效率用途。例如：壁灯的变压器和带遥控的电视机只要接通电源就耗电。你的电暖气是否自动调温使逆变器每天24小时不停的工作？
灯：检查发黑的白炽灯，考虑用卤素灯或荧光灯更换。更换发黑的荧光灯管。清洁照明灯及其固定支架上的

灰尘。
逆变器：检查调节器，安装设置，接线。注意：带有充电功能的逆变器的充电电压应设置到14.5（29）伏。

参照使用手册。如有必要增加额外的温度探测器。
供水：检查结冰保护装置，检修水泵，压力灌预充水。

电池温度
铅酸蓄电池的容量在30°F时损失25%。充满后，在20°F时结冰导致损坏。夏季的过热也会影响其寿命。因此电池应当避免在极端的室外温度环境下使用。根据国家标准安装在室内电池可以安全运行。

防止结冰和电热带

电热带是用于家里防止水管结冰的常用方法。，可用于太阳能热水器，井棚或其它可能受冷的地方。但是电热带是耗能大户，下面是节电的技巧：
绝热！！！使用大量的泡沫塑料、玻璃纤维等绝热材料，隔绝冷空气！
使用比推荐配置少一些的热带，分散成卷的使用。有了额外的绝热措施，就不再需要那么多的热量。
使用小型的能够带动热带等小负载的逆变器。或者采取如下措施：
使用12或24伏的热带！如果你不懂切割，这儿有制作低压热带的方法：
(1)购买普通的平面热带。
(2) 对于12伏的，从温度调节器末端开始热带1/10长度的地方切断。对于24伏的，从1/5的地方切断。
(3)剥除切断的末端，把内部的两根导线连起来。此时要小心，导线很薄很脆弱。接线处用绝缘硅胶密封。
这样就得到了低压热带。与原来的相比面积功率是一样的。温度调节器（如果有）仍能工作，但是氖灯指示器就不起作用了。把灯线的两端连接在一起可以制作更低电压的电热带。外加一个温度调节器，因为热带有时会工作在50°。线电压温度调节器可以在几个热带之间切换。

暖气炉及其控制

温度控制电路和功率：多数中央加热系统工作在低电压，并通过墙上的温度调节器来控制何时打开和切断。
低压是从一个小型的变压器获取的，变压器狮始终通电。其功率仅有几瓦，但是对于备用能源系统来说这也可能是大的负载－如果它是唯一工作的交流设备，它会为了保持逆变器的工作状态而额外的消耗电能。这可能相当于1到2块光电板的整个冬季的能量输出，每一块价值300美元，还有其它的蓄电池等配套！

如果你的系统中的逆变器多数时间是不工作的（相对较少的交流用途），就值得增加线性电压温度调节器。

把它安装在交流线路到电暖气之间。这使得在不需要制热时，所有的功率输出到电暖气的变压器。一个小型的“限位开关”温度调节器用于检测暖气炉的温度，在屋内温度降低之前保持低温。改造的成本低于50美元，接线也很简单。
低温设置：在家里没有人的时候，你可能仅需要室内温度保持在冰点以上（以保证水管，家具和瓶子不会冻裂）。多数的热调节器在55°F时停止加热，但是把温度控制在40°以下会节省大量的能源。此时，暖风机工作时间大量减少，节省了电力。上述的温度调节器应设置在40°以下。

结论
自行供电是一种奖励，也是一种义务。多注意冬季会获得额外的收益，并降低你未来几年的能源依赖度。如果你不确定如何改进你的系统，可以联系销售商或有资格的电气工程师。


系统容量设计篇


第一步：尽量降低负载
首先你需要确定家里的电器用电量已经尽量减少。最耗电的电器包括电热水器、电炉和电加热系统。如果可能，将这些系统换成天然气的或其它不用电的类型。通常这些电器的更换费用要低于为他们额外增加太阳能或风能系统的费用。
另外把所有的白炽灯更换成节能的荧光灯也能明显的降低家里的用电量。同样这些电器的更换费用要低于为他们额外增加太阳能或风能系统的费用。
接下来需要你设计符合你的电量需求的系统。简单起见，只介绍设计一个全年都使用的住户（只在夏季使用的别墅有另外的设计方法，不同之处在于在最低日照时间内满足系统电力需求所需的系统容量不同）的太阳能发电系统的基本步骤。

第二步：确定需要的太阳电池的数量
1) 计算电力负载。确定每天的基本用电量，用瓦时为单位。当然要计算整个住户的负载是很复杂的，需要确定：
给哪些电器供电每个电器的功率（以瓦为单位）是多少？（一般在电器的铭牌、说明书或使用手册上可以找到，常用电器功率）
每个电器的平均使用时间是多少小时？（不用忘记哪些不常用的电器）
计算住户每天的平均用电量。所有电器的耗电量（瓦）×平均每天的用电时间（小时），并计算总和。
计算工具
2) 计算所在地区的等效的太阳时数，以最少日照月份为准（通常是12月或1月）。各地日照数据表
3) 把1)的计算结果除以2)的计算结果，得到需要的太阳电池的数量（瓦），这个结果应该能满足最低日照月的用电量。
4) 补偿系统效率损失。使用逆变器输出交流电的系统的效率为70%左右，而直接使用蓄电池组的直流电的系统效率为80%左右。因此实际的需求量为3)的结果乘以1.3（使用逆变器）或1.2（无逆变器）。
5)最后，确定需要的太阳电池板的数目。把4)的结果除以（选定的）太阳电池板的额定输出功率。国内常用太阳电池的规格




实例篇


如果你需要在没有电力线的地方供水，那么太阳能可以解决你的问题。光伏水泵是比柴油发电机、风车和手动抽水机更受欢迎的选择。世界上有成千上万个太阳能水泵在工作着。在阳光明媚的天气时，它们工作最好，而这时刚好是最需要水的时候。

下面是安装在墨西哥的太阳能慢速水泵的指南。

工作原理
光电板把太阳光照转换成电能，不需要移动部件。自从1979年开始大量生产光电板。它们性能稳定，大多数生产商给出了10年的担保，而其寿命超过20年。它们可以在冷或热气候下都能良好工作。
太阳能水泵是专门设计用光电板输出的直流电驱动的。它们在光照较差时也能以低功率工作，而不会停转或过热。小型水泵依据正偏置原理工作，即把水压倒密封腔里，然后靠压力把水升高。既使在泵低速工作时也有升举能力。这些机构包括横隔膜、叶片和活塞泵。这与传统离心泵是不同的，离心泵必须高速旋转才能有效工作。离心泵用于较高功率的情况。
地面泵安装在地面上。潜水泵深入到水中。多数深井使用潜水泵。
泵控制器（电流放大器）是一种多数光伏水泵所用到的电子装置。它象一个自动的传输机，控制泵开始，并在低光照时不会停止。
使用太阳追踪器可以在太阳移动时调整光伏方阵的倾角。这可以增加高达55%的日输出电量。因为峰值太阳时增多了，就需要较小的泵和电源系统，从而使总体成本降低。追踪在清新的晴天更有效。在阴天或着白天短的冬季效果就不明显。
存储也很重要。根据需要有三到十天的存储量就足够了，主要取决于天气和用水量。多数系统使用存水箱而不用蓄电池，这样更简单和经济。水箱满时，浮动开关可以关掉水泵，避免溢出。相对于风车，光伏水泵更便宜，而且便于安装和维护。提供了更方便的供水。可以安装在山谷或风力不充足的树林里。光伏方阵可以放在距离水泵较远的地方，甚至几百米距离。

用途

牲畜用水：在美国、澳大利亚或南非的牧场主是光伏水泵的狂热用户。它们的水源分布在缺少电力线的广大牧场，运输和维护成本很高。一些牧场主用光伏水泵分布超过5千米的水管。也有用便携系统的，可以从一个水源移动到另外一个。
灌溉：光伏水泵也用于小的农场、果园、葡萄园和花园。直接使用光伏方阵水泵（没有蓄电池）非常经济，可以把水存在水箱里，利用重力进行分配。在需要增压的地方，用蓄电池稳定电压以得到持续的水流，这样可以节省储水箱。
家庭用水：光伏水泵可用于私人家庭、村庄或门诊部等。水泵可以用专用的光伏方阵驱动，或者供照明和电器的主系统驱动。可以用放在高处的水箱，或二级水泵提供水压。或者，用主蓄电池系统替代水箱。雨水收集可在阳光不足时作为补充。要设计一个系统，需要了解整个的情形并考虑所有可用资源。
小建议
光伏水泵的规模没有限制。但是，通常在内燃机不经济的小型装置更有竞争力。最小的光伏水泵仅需要150瓦，提水高度为65米，每分钟提水5.7升。你可能会对这样的一个小系统感到很惊奇。在一个10小时光照的晴天，它可以提供3400升水。这可满足几个家庭、或30头牲畜、或40棵果树的用水。
低速光伏水泵可用作小量的水源。它减少了长水管的成本，只需要很短的水管。水管的长度对泵的影响不大，所以可以用很低的成本把水送到很远的地方。小光伏水泵的安装不需要笨重设备和特殊技能。
节省光伏水泵成本最有效的方法是在存水期间降低水需求。例如，使用滴灌可以减少传统方法的一半消耗。在家里，节水厕所设备可以减少家庭成员用水的一半。评价光伏水泵的经济性的主要因素是水效率。

周到的设计方法
在有发电机或电力线时，我门使用较大的水泵并在需要时开启运转。当使用光伏水泵时，就不能这么奢侈了。光电板很贵，所以我们需要仔细的设计系统容量。就像买衣服一样，需要测量所有的尺寸。
下面给出一些设计系统或咨询供应商时需要提供的数据。

接下来，确定潜水泵还是地面泵更合适。这取决于水源的情况。潜水泵使用于深井和店面水源。地面泵仅能把低于地面3米下的水提上来，但是它能把水送到很远的坡上。如果选用地面泵，会比潜水泵便宜，而且选择的余地很多。

现在，我们需要确定水流的速度。下面给出了简单的计算：
每小时体积（立方米）＝每天的体积（立方米）/每天的峰太阳小时数
峰太阳小时是指每天平均接收到标准太阳能量的等效小时。它随地点和季节发生变化。例如，在夏季的美国中西部地区为7峰小时，到冬季时就只有4.5。
接下来，参照选定的水泵的性能表。确定驱动水泵需要的光伏方阵的配置以。