太阳能为住宅供电原理

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太阳能为住宅供电原理

  有了光伏(PV)模块,我们该如何利用呢?如何利用太阳能来为房间供电?尽管它并非像随便在屋顶放置一些模块那样简单,但也不是特别复杂。

  首先,并非每个屋顶都有合适的朝向或倾斜角度可以充分利用太阳能。北半球的无轨道光伏系统应指向正南(这是方位)。它们应该以该地区纬度来设定倾斜角度,以便可以整年吸收尽可能多的能量。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季获得尽可能多的能量,可以采用不同的方位、倾角。当然,不管在一天或者一年中的什么时间,模块决不能被附近的树木或者建筑物挡住。在光伏模块中,即使36块电池中只有一块被挡住了,发电量也会减少一大半。

  如果您有一间房子,它的屋顶没有遮挡并且朝南,那么您还需要确定自己需要的系统规模。这是一项复杂的工作,因为发电量取决于天气情况,而天气从来都是不可完全预测的,并且您的用电需求也会随时发生变化。这些障碍很容易清除。气象数据会提供不同地理区域每月的平均日照水平。其中考虑了降雨和多云天气,以及纬度、湿度和其他更细微的因素。您在设计时应考虑到日照状况最差的月份,这样才能保证全年都有充足的电力供应。有了这个数据,并且清楚自己家里的平均用电需求(通过用电帐单即可得知每月的用电量),可以用一些简单的方法来确定您需要多少个光伏模块。此外,您还需要确定系统电压,这可以通过决定串联的模块数量来控制。

  您可能已经猜到我们要解决的几个问题了。首先,在没有太阳光照射时我们应该怎么做?当然,如果可以选择的话,肯定没有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有电的生活。我们需要能量存储装置——电池。遗憾的是,电池为光伏系统增加了很多成本和维护工作。但是在目前,电池还是一个必需品,因为只有这样才能完全摆脱天气的影响。绕开这个问题的一个方法是,将房子与电网相连,从而可以在需要电的时候买电,而在发电量超过需要时卖电。这样,电网实际上充当了一个巨大的能量存储系统。当然,这需要征得电网方面的同意,并且在大多数情况下,它们从您这里买电的价格将比它们售电的价格低得多。您还需要特殊的设备来确保出售给电网的电力与它们的电力同步——即共享相同的正弦波形和频率。安全性也是一个问题。电网需要确保如果在您的住宅附近出现断电,您的光伏系统不会向线路工人以为已经没有电的线路供电。这称之为隔离。

  如果您决定使用电池,请切记电池是需要维护的,并且在一定年限之后需要更换。光伏模块应该可以使用20年或者更长的时间,但电池就没有这么长的寿命了。由于电池中存有能量且包含酸性电解液,光伏系统中的电池可能非常危险,因此您需要为它们提供一个通风良好的非金属外壳。

  尽管常用的电池有好几种类型,但它们都有一个共同的特性,即它们都是深循环电池。与您的汽车电池(浅循环电池)不同,深循环电池可以释放出比存储电能还要多的电能,同时还能保持较长的寿命。汽车电池在很短的时间内会释放很大的电流来启动您的汽车,并且在您驾驶时立即充电。光伏电池通常需要经过较长的时段(如整夜时间)才会释放出较小的电流,并在整个白天进行充电。

  最常用的深循环电池是铅酸电池(密封式和开口式)和镍镉电池。镍镉电池虽然价格昂贵,但使用寿命较长,并且可以更彻底地放电而不会对其性能造成损害。即使是深循环铅酸电池,在百分之百放电的情况下也不可避免地会严重缩短电池寿命。通常来说,光伏系统中铅酸电池的放电率不会超过40%到50%。

  另外,使用电池时还需要安装充电控制器。如果能够妥善使用电池,避免过度充电或过度消耗,那么电池的寿命会长得多。这正是充电控制器要做的工作。一旦电池充满电,充电控制器就不再允许电流从光伏模块继续流入电池中。同样,一旦电池电量消耗到一定水平(通过测量电池电压来控制),很多充电控制器将不允许更多的电流继续从电池流出,直至对电池进行重新充电。充电控制器的使用对延长电池寿命起到了重要作用。

  另一个问题是,由光伏模块产生的电以及从电池中提取(如果您选择使用电池)的电都是直流电,而电网所供应的电(以及您房间中各种家用电器使用的电)是交流电。因此您需要一个换流器,这是一种能将直流电转换为交流电的设备。大多数大型换流器还允许您自动控制系统的工作方式。有些名为交流模块的光伏模块实际上在每个模块中内置了一个换流器,因而无需使用大型的集中型换流器,并简化了接线问题。

太阳能为住宅供电原理
带有电池存储的光伏系统的一般示意图

  配备了安装硬件、接线、接线盒、接地设备、过电流保护、直流和交流断路器以及其他附件之后,您就有了一个自己的系统。安装时必须遵守电气法规(《美国国家电气法规》(National Electrical Code)中有一个针对光伏系统的条款)。强烈建议由在光伏系统方面有经验的持证电工来完成安装工作。安装完成之后,光伏系统几乎不需要维护(尤其在不使用电池的情况下),并可在20年或者更长的时间里提供清洁、安静的电能。

  既然光电是这么好的一种免费能源,那么为何全世界没有都靠太阳能来发电呢?有些人对太阳能抱有一种错误的观念。尽管太阳光确实是免费的,但光伏系统发的电并不是免费的。从我们对家用光伏系统的讨论中您可以看到,这个系统需要很多硬件。目前,一个安装好的光伏系统的成本约为每峰瓦9美元。为了让您对家用发电系统的成本有一个概念,让我们来看一看太阳房——一幢位于北卡罗莱纳州罗利市的模型住宅,北卡罗莱纳州太阳能中心在其中安装了光伏系统,以展示这项发电技术。这是一幢相当小的住宅,据估计,它的3.6千瓦光伏系统将满足总电力需求的一半(该系统没有使用电池,而是与电网相连)。尽管如此,以每瓦特9美元的价格来计算,安装这个系统将花费您大约32,000美元。

  光伏系统之所以通常用于远离传统电源的偏远地区,原因就在于此。现在,它确实无法与电网竞争。不过,随着研究工作的深入,太阳能发电的成本将会下降。研究人员相信,总有一天,市区的光伏系统的成本效益会同偏远地区一样。部分问题在于,必须大规模生产才能尽可能地降低产品成本。而只有产品价格降到有竞争力的水平,才会产生对光伏系统的需求。这就陷入了进退两难的境地。即便如此,需求量和模块效率还是在不断地提高,产品价格也在不断地下降,全世界也越来越关注传统电源所带来的环境问题,所有这些都为光电技术带来了光明的前景。

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