智能能源设计说明：太阳能系统

Smart Design Notes是关于能源设计某些方面的教程。它将成为智能能源设计概念一般分析的参考指南。在第一部分，我们将分析光伏系统。

安装光伏系统可减少电力消耗，并有助于减少向环境中排放的二氧化碳。最新一代的太阳能电池板即使在使用 20 多年后仍能保证良好的质量。

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到达地球的太阳辐射是由太阳中所含氢的聚变过程释放出的无限能量来源。这种能量不会经常到达地球表面。数量在一天中因季节而异，取决于：云量、入射角、场地位置、任何地形和障碍物、气候条件和表面反射率。一平方米水平面所受到的辐射称为全局辐射，是直接辐射和漫射辐射之和的结果。

在倾斜角约为 30° 的朝南表面上获得最大辐射的总和。以东南或西南方向倾斜 45° 的叠加记录表明，全球年平均辐射量的减少量不到百分之五 (5)。

图 1：光伏发电潜力（来源：世界银行集团）

光伏面板

太阳能系统的基本组件是光伏电池，其中发生太阳辐射转化为电流。

当光线击中构成光伏电池的半导体材料薄层（PN 结）时，光子，即构成太阳光线的能量粒子，将它们的能量传递给电子。材料立即开始向特定方向移动，产生 DC；可以添加其他模块或电池的其他电流，直到它们达到所需的特定用途所需的功率。

光伏电池以薄而平坦的层连接，或者可以通过真空技术将粉碎的材料直接分布在支撑物上而获得均匀的薄膜。

太阳能电池是光伏系统的主要组成部分。每个电池可以产生三 (3) 到六 (6) 瓦的功率。更多的太阳能电池构成一个模块，更多的模块构成一个光伏板。

图 2：光伏组件和电气连接（来源：https : //greensunrising.com/info/solar-energy/solar-pv/）

在模块中，由于不可避免的制造差异，光伏电池并不完全相同，因此并联的两块电池可能具有不同的电压。结果，产生了从较高电压单元块到较低电压块的循环电流。因此，模块产生的一部分功率会在其中消失（失配损耗）。

太阳能电池板的功率以峰值瓦特 (Wp) 表示。这是太阳能电池板在 25°C 时提供的功率，其光线类似于太阳，每平方米的功率为 1000 W。

这个标准尺寸允许您将几个面板相互比较：峰值功率较高的面板显然会产生更多的电力。最后，可以根据安装地点评估光伏系统的年产量。

设计特点

光伏系统连接到配电网的能量规格，除了经济可用性外，还考虑以下方面：安装光伏系统的空间可用性、太阳能源的可用性、形态和环境因素（阴影）。

用于光伏系统的设计原则是最大限度地捕获可用的年度太阳辐射。设计光伏系统的第一步是选择光伏板。它取决于各个制造商提供的规格，例如性能、尺寸、功率和成本，在选择使用哪种型号之前必须针对市场上的不同型号进行比较。另一个步骤是定义必须并联以产生所需电流的此类面板的数量，以及必须串联以产生所需电压的面板数量。

此外，方向是另一个需要考虑的方面：光伏电池板必须以固定角度（倾斜角）安装在水平方向（倾斜角度 +/- 15° 的地方纬度会增加冬季或夏季的能源产量） ，或在太阳跟踪系统上最大限度地提高产量。  

在大多数情况下，光伏发电机必须以最佳方式暴露在阳光下，优先选择朝南的方向，并避免遮光现象。根据封装发电机本身的结构可能存在的架构约束，采用不同的角度以获得最佳效率。

除了面板之外，还需要选择逆变器，这是一个对系统性能和成本影响很大的组件。它还可以将面板的直流电压转换为交流电。逆变器的选择基于众多参数，例如转换效率（输出与输入功率之比）、输入电压、标称和峰值功率、电压调节和保护、电流频率、模块化、功率因数等。

如果光伏系统是一个独立的系统——即隔离的，没有连接到电网——还需要选择合适的电池或储能和充电控制器，以防止它们过度充电或放电。光伏中最常用的蓄电池是铅酸电池，价格便宜且几乎不需要维护。 

有关储能的更多信息，请查看此处。

通常，所使用的系统是并网的，即它们通过将多余的能量馈入智能电网来共享多余的能量。当光伏系统无法产生能量时，电网系统会提供帮助。在这些情况下，不需要电池。

有关太阳能逆变器的更多信息，请单击此处

图 3：单相逆变器原理图（来源：ABB）

发电机被修改以适应系统产生的用于能量优化的负载。因此，操作点始终对应于最大 PowerPoint。为此，逆变器中使用了一种称为最大功率点跟踪 (MPPT) 的受控斩波器，它可以瞬间识别发电机电压和电流值的扭矩，此时提供的功率最大。

审核编辑 黄昊宇