趙春江，洪崇恩，劉永生

1.上海電力學(xué)院太陽(yáng)能研究所 2.上海公元太陽(yáng)能有限公司

0 前言

太陽(yáng)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(guò)了半個(gè)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(shí)代的發(fā)展，家庭太陽(yáng)能光伏發(fā)電已在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家蓬勃興起。

家庭太陽(yáng)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(duì)礦物能源日益枯竭的需求困境，也是人類(lèi)就近利用太陽(yáng)能這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽(yáng)能同生態(tài)結(jié)合起來(lái)，充分利用住宅屋頂、陽(yáng)臺(tái)等對(duì)人們生活無(wú)大礙的空間，安裝太陽(yáng)電池，把幾千年來(lái)房屋只是人類(lèi)居住、遮風(fēng)擋雨、避寒暑、娛樂(lè)的簡(jiǎn)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(lèi)進(jìn)步和社會(huì)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。

我國(guó)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(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)條件。筆者相信在國(guó)家政策和國(guó)家電網(wǎng)公司的大力支持下，家庭太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)這一新科技產(chǎn)品必將步入千家萬(wàn)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

家庭太陽(yáng)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(yáng)電池組件串的并聯(lián)數(shù)一般不會(huì)超過(guò)兩個(gè)，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(jiǎn)單明快。單體設(shè)備和工程材料的單件重量一般不超過(guò)20kg，對(duì)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(shì)，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(méi)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(wú)電地區(qū)，也適用于城市中鋪設(shè)線路困難且成本高的場(chǎng)所，如書(shū)報(bào)亭、崗?fù)?、高速公路指示燈和沿途休息?chǎng)所的用電等。零售的太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能計(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(yáng)能外無(wú)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(yáng)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(duì)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(wèn)題。因此，當(dāng)太陽(yáng)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(guò)大則成本太高，設(shè)計(jì)過(guò)小則供電不足。通常在設(shè)計(jì)中還要考慮盡量采用長(zhǎng)壽命、無(wú)二次污染、可再生利用的蓄電池。蓄電池在充放電過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)電池組件的結(jié)合方法和施工技術(shù)，以及太陽(yáng)電池發(fā)電過(guò)程中自身產(chǎn)生的熱、熱環(huán)境和太陽(yáng)輻照三者的熱效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響[1]。同時(shí)，對(duì)蓄電系統(tǒng)也進(jìn)行了觀察研究。通過(guò)對(duì)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(yáng)電池方陣背面溫度的上升程度與野外支架型太陽(yáng)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(yáng)電池發(fā)的直流電通過(guò)控制逆變裝置變換成交流，經(jīng)過(guò)相位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來(lái)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(wú)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(mén)回購(gòu)）。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(guó)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(jiǎn)單，主要由太陽(yáng)電池方陣、逆變器、交流保護(hù)開(kāi)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(yáng)電池、2.5kW并網(wǎng)逆變器、交流保護(hù)開(kāi)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(yáng)電池方陣。該項(xiàng)目主要研究在已建屋頂上如何把太陽(yáng)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(duì)上海地區(qū)太陽(yáng)電池組件最佳安裝角度上太陽(yáng)輻照度的各月分布進(jìn)行調(diào)查

3)對(duì)上海地區(qū)太陽(yáng)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(duì)家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的系統(tǒng)效率進(jìn)行調(diào)查

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

6)雪災(zāi)對(duì)太陽(yáng)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)仍在進(jìn)行中。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(yáng)能光伏發(fā)電尚有許多不足之處，其中最突出的問(wèn)題就是發(fā)電和供電的間歇性和不穩(wěn)定性（季節(jié)性、時(shí)段性、瞬時(shí)突變性），對(duì)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(wèn)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(chǔ)能系統(tǒng)組成。通?？捎商?yáng)能光伏發(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(lái)，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(yáng)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(jí)電容高速電力調(diào)衡系統(tǒng)構(gòu)成，另有2臺(tái)40W供電力調(diào)控用的排風(fēng)扇，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行全部自動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)家庭并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上。研究?jī)?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(lái)，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(yǔ)

家庭太陽(yáng)能光伏發(fā)電從離網(wǎng)系統(tǒng)到微電網(wǎng)系統(tǒng)，走過(guò)了一段漫長(zhǎng)的路，也是人們從不知到認(rèn)知、從應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)而研發(fā)解決問(wèn)題的技術(shù)并對(duì)初級(jí)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(jiàn)更高級(jí)的技術(shù)也必定是從這些技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

[1]趙春江,崔容強(qiáng).太陽(yáng)能建材技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)（1）光伏屋頂熱性能的調(diào)查[J].太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電（PV）系統(tǒng)并網(wǎng)后的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)[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(guó)建設(shè)動(dòng)態(tài)：陽(yáng)光能源,2010,5∶64-65.

[4]趙春江.太陽(yáng)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.