趙春江，洪崇恩，劉永生

1.上海電力學(xué)院太陽能研究所 2.上海公元太陽能有限公司

0 前言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)從軍用到民用、從離網(wǎng)系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)已走過了半個多世紀(jì)的歷程，發(fā)電效率不斷提高，技術(shù)日益完善，發(fā)電成本逐年下降。隨著科技和時代的發(fā)展，家庭太陽能光伏發(fā)電已在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家蓬勃興起。

家庭太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的推廣和應(yīng)用是家庭節(jié)能、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對礦物能源日益枯竭的需求困境，也是人類就近利用太陽能這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽能同生態(tài)結(jié)合起來，充分利用住宅屋頂、陽臺等對人們生活無大礙的空間，安裝太陽電池，把幾千年來房屋只是人類居住、遮風(fēng)擋雨、避寒暑、娛樂的簡單建筑發(fā)展成獨(dú)立能源、自我循環(huán)式的新型建筑，這也是人類進(jìn)步和社會、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。

我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷壯大，民眾收入逐年提高，富裕地區(qū)已經(jīng)具備了推廣家庭太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)條件。筆者相信在國家政策和國家電網(wǎng)公司的大力支持下，家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)這一新科技產(chǎn)品必將步入千家萬戶。本文將扼要介紹家庭離網(wǎng)光伏系統(tǒng)、家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究結(jié)果。

1 家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模通常為3～4kW，由于發(fā)電容量小，太陽電池組件串的并聯(lián)數(shù)一般不會超過兩個，故可省去直流匯流、直流配電、交流匯流等設(shè)施，使得系統(tǒng)簡單明快。單體設(shè)備和工程材料的單件重量一般不超過20kg，對屋頂和室內(nèi)施工非常有利。系統(tǒng)離負(fù)載近，能充分發(fā)揮就地發(fā)電、就地使用的優(yōu)勢，減少了遠(yuǎn)距離輸電損失，經(jīng)濟(jì)效益高。

1.1 家庭離網(wǎng)光伏系統(tǒng)

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)與公共電網(wǎng)沒有直接的聯(lián)系，其規(guī)模小至幾百瓦的照明電源，大至上百千瓦的獨(dú)立光伏電站。它特別適用于島嶼、深山、荒漠、大草原等無電地區(qū)，也適用于城市中鋪設(shè)線路困難且成本高的場所，如書報(bào)亭、崗?fù)ぁ⒏咚俟分甘緹艉脱赝拘菹鏊挠秒姷?。零售的太陽能草坪燈、太陽能?jì)算器中的電源也是該系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。由于離網(wǎng)光伏系統(tǒng)除了太陽能外無需外界能源支持，因此它還可用作空間站電源。家庭離網(wǎng)光伏系統(tǒng)屬于上述的一種應(yīng)用。

家庭離網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器四大件組成，如圖1所示。

對于離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，往往需要根據(jù)用戶的要求，解決連續(xù)陰雨天的情況下不間斷供電的問題。因此，當(dāng)太陽電池功率規(guī)模確定后，蓄電池的配置容量往往成為設(shè)計(jì)人員的主要課題，設(shè)計(jì)過大則成本太高，設(shè)計(jì)過小則供電不足。通常在設(shè)計(jì)中還要考慮盡量采用長壽命、無二次污染、可再生利用的蓄電池。蓄電池在充放電過程中還要消耗相當(dāng)一部分電能，包括其自放電的損耗，蓄電系統(tǒng)的總體效率一般為75%左右，導(dǎo)致離網(wǎng)光伏系統(tǒng)總體效率下降到60%甚至更低，因此在能采用輔助電源的情況下，一般應(yīng)避免采用大量蓄電池，而是采用由輔助發(fā)電設(shè)備與適量蓄電池配合的方式。

2001年上海交通大學(xué)生態(tài)房建立了一套小型家庭離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)由1770W太陽電池、8塊12V/200Ah的鉛酸蓄電池、充放電控制器和離網(wǎng)逆變器等構(gòu)成，圖2展示了安裝在屋頂?shù)墓夥ㄖ惑w化太陽電池方陣。該項(xiàng)目主要研究光伏建筑一體化技術(shù)中屋頂與太陽電池組件的結(jié)合方法和施工技術(shù)，以及太陽電池發(fā)電過程中自身產(chǎn)生的熱、熱環(huán)境和太陽輻照三者的熱效應(yīng)對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響[1]。同時，對蓄電系統(tǒng)也進(jìn)行了觀察研究。通過對該系統(tǒng)的研究，得出了以下結(jié)論：

1）在光伏建筑一體化結(jié)構(gòu)中，只要通風(fēng)設(shè)計(jì)良好，太陽電池方陣背面溫度的上升程度與野外支架型太陽電池方陣相差不大。

2）鉛酸蓄電池壽命短，蓄電系統(tǒng)效率低，單電池自身的性能穩(wěn)定和各單電池之間的性能一致性很難控制管理，需要研發(fā)新型的蓄電系統(tǒng)控制技術(shù)。

1.2 家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

把太陽電池發(fā)的直流電通過控制逆變裝置變換成交流，經(jīng)過相位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來使用，采用這種形態(tài)的光伏系統(tǒng)就是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。目前主要包括：無蓄電池?zé)o逆流（即不向電網(wǎng)倒送電）系統(tǒng)、有蓄電池?zé)o逆流系統(tǒng)（相當(dāng)于離網(wǎng)系統(tǒng)）、有逆流系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)剩余電力向電網(wǎng)輸送，由電力部門回購）。家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)通常采用有逆流方式，該方式已在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家得到大規(guī)模推廣。

家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的構(gòu)成極為簡單，主要由太陽電池方陣、逆變器、交流保護(hù)開關(guān)箱和電表四大件組成，如圖3所示。

2006年上海閔行某住宅區(qū)建立了一套家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)由2992W太陽電池、2.5kW并網(wǎng)逆變器、交流保護(hù)開關(guān)箱和計(jì)量電表構(gòu)成。圖4展示了安裝在屋頂?shù)墓夥ㄖ惑w化太陽電池方陣。該項(xiàng)目主要研究在已建屋頂上如何把太陽電池組件結(jié)合到建筑上的方法和施工技術(shù)，以及以下內(nèi)容[2,3]：

1)逆變器容量的最佳匹配

2)對上海地區(qū)太陽電池組件最佳安裝角度上太陽輻照度的各月分布進(jìn)行調(diào)查

3)對上海地區(qū)太陽電池組件最佳安裝角度上的光伏系統(tǒng)各月發(fā)電量和年發(fā)電量進(jìn)行調(diào)查

4)對家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的系統(tǒng)效率進(jìn)行調(diào)查

5)對處于同一緯度不同安裝傾角的太陽電池方陣的發(fā)電性能進(jìn)行調(diào)查

6)雪災(zāi)對太陽電池方陣的發(fā)電性能的影響

研究工作至今已持續(xù)6年多，研究結(jié)果多數(shù)已發(fā)表，目前對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測仍在進(jìn)行中。通過對該系統(tǒng)的監(jiān)測和研究，獲取和整理了大量數(shù)據(jù)，為建立家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

1.3 家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電尚有許多不足之處，其中最突出的問題就是發(fā)電和供電的間歇性和不穩(wěn)定性（季節(jié)性、時段性、瞬時突變性），對電網(wǎng)的影響不言而喻。微電網(wǎng)技術(shù)（Micro-Grid）是解決上述問題的比較合適的手段[4]。

典型的微電網(wǎng)是由可再生能源電力、輔助電源和儲能系統(tǒng)組成。通?？捎商柲芄夥l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電或柴油發(fā)電、燃料電池、蓄電池組等任意組合起來，再加入計(jì)量裝置和控制管理系統(tǒng)，自成系統(tǒng)，獨(dú)立于大電網(wǎng)或間歇與大電網(wǎng)連接。

在家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，2012年上海松江某別墅區(qū)建立了一套家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)由3.7kW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、0.7kW家庭用熱電聯(lián)供燃料電池、4.8kWh磷酸鐵鋰離子蓄電池組以及700Wh鋰離子超級電容高速電力調(diào)衡系統(tǒng)構(gòu)成，另有2臺40W供電力調(diào)控用的排風(fēng)扇，整個系統(tǒng)運(yùn)行全部自動控制。其原理如圖5所示，各主體設(shè)備如圖6所示。另外，根據(jù)前期研究結(jié)果[5]，對光伏建筑一體化（BIPV）結(jié)構(gòu)做了些改進(jìn)，如圖7所示。并網(wǎng)后將盡量抑制逆送電，以減少對電網(wǎng)的干擾。也即形成了自給自足的家庭供電系統(tǒng)。

家庭微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究工作是建立在對家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上。研究內(nèi)容主要放在控制技術(shù)和控制參數(shù)上。光伏系統(tǒng)自2012年6月12日投入運(yùn)行以來，一直工作穩(wěn)定。燃料電池等各主體設(shè)備正在進(jìn)行調(diào)試，微電網(wǎng)系統(tǒng)整體控制用軟硬件也在研發(fā)中。

2 結(jié)束語

家庭太陽能光伏發(fā)電從離網(wǎng)系統(tǒng)到微電網(wǎng)系統(tǒng)，走過了一段漫長的路，也是人們從不知到認(rèn)知、從應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而研發(fā)解決問題的技術(shù)并對初級技術(shù)加以改進(jìn)所必須走的路。也許微電網(wǎng)不是人們應(yīng)用可再生能源電力的最終方案，但可以預(yù)見更高級的技術(shù)也必定是從這些技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

[1]趙春江,崔容強(qiáng).太陽能建材技術(shù)的研究與開發(fā)（1）光伏屋頂熱性能的調(diào)查[J].太陽能學(xué)報(bào),2003,24（3）∶352-356.

[2]趙春江,劉永生,楊金煥.3kW家用型太陽能光伏發(fā)電（PV）系統(tǒng)并網(wǎng)后的運(yùn)行和監(jiān)測[J].華東電力,2009,37（8）∶1374-1377.

[3]趙春江,劉永生,楊金煥.并網(wǎng)型家用PV系統(tǒng)抗雪災(zāi)能力的調(diào)查[J].中國建設(shè)動態(tài)：陽光能源,2010,5∶64-65.

[4]趙春江.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展[J].自然雜志,2010,32（3）∶143-148.

[5]蘇乘風(fēng),趙春江,洪崇恩.10kW建筑一體化屋頂PV發(fā)電系統(tǒng)的研制[J].華東電力,2010,38（7）∶1084-1086.