智能能源設(shè)計(jì)說明：太陽(yáng)能系統(tǒng)

Smart Design Notes是關(guān)于能源設(shè)計(jì)某些方面的教程。它將成為智能能源設(shè)計(jì)概念一般分析的參考指南。在第一部分，我們將分析光伏系統(tǒng)。

安裝光伏系統(tǒng)可減少電力消耗，并有助于減少向環(huán)境中排放的二氧化碳。最新一代的太陽(yáng)能電池板即使在使用 20 多年后仍能保證良好的質(zhì)量。

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到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射是由太陽(yáng)中所含氫的聚變過程釋放出的無限能量來源。這種能量不會(huì)經(jīng)常到達(dá)地球表面。數(shù)量在一天中因季節(jié)而異，取決于：云量、入射角、場(chǎng)地位置、任何地形和障礙物、氣候條件和表面反射率。一平方米水平面所受到的輻射稱為全局輻射，是直接輻射和漫射輻射之和的結(jié)果。

在傾斜角約為 30° 的朝南表面上獲得最大輻射的總和。以東南或西南方向傾斜 45° 的疊加記錄表明，全球年平均輻射量的減少量不到百分之五 (5)。

圖 1：光伏發(fā)電潛力（來源：世界銀行集團(tuán)）

光伏面板

太陽(yáng)能系統(tǒng)的基本組件是光伏電池，其中發(fā)生太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電流。

當(dāng)光線擊中構(gòu)成光伏電池的半導(dǎo)體材料薄層（PN 結(jié)）時(shí)，光子，即構(gòu)成太陽(yáng)光線的能量粒子，將它們的能量傳遞給電子。材料立即開始向特定方向移動(dòng)，產(chǎn)生 DC；可以添加其他模塊或電池的其他電流，直到它們達(dá)到所需的特定用途所需的功率。

光伏電池以薄而平坦的層連接，或者可以通過真空技術(shù)將粉碎的材料直接分布在支撐物上而獲得均勻的薄膜。

太陽(yáng)能電池是光伏系統(tǒng)的主要組成部分。每個(gè)電池可以產(chǎn)生三 (3) 到六 (6) 瓦的功率。更多的太陽(yáng)能電池構(gòu)成一個(gè)模塊，更多的模塊構(gòu)成一個(gè)光伏板。

圖 2：光伏組件和電氣連接（來源：https : //greensunrising.com/info/solar-energy/solar-pv/）

在模塊中，由于不可避免的制造差異，光伏電池并不完全相同，因此并聯(lián)的兩塊電池可能具有不同的電壓。結(jié)果，產(chǎn)生了從較高電壓?jiǎn)卧獕K到較低電壓塊的循環(huán)電流。因此，模塊產(chǎn)生的一部分功率會(huì)在其中消失（失配損耗）。

太陽(yáng)能電池板的功率以峰值瓦特 (Wp) 表示。這是太陽(yáng)能電池板在 25°C 時(shí)提供的功率，其光線類似于太陽(yáng)，每平方米的功率為 1000 W。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸允許您將幾個(gè)面板相互比較：峰值功率較高的面板顯然會(huì)產(chǎn)生更多的電力。最后，可以根據(jù)安裝地點(diǎn)評(píng)估光伏系統(tǒng)的年產(chǎn)量。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

光伏系統(tǒng)連接到配電網(wǎng)的能量規(guī)格，除了經(jīng)濟(jì)可用性外，還考慮以下方面：安裝光伏系統(tǒng)的空間可用性、太陽(yáng)能源的可用性、形態(tài)和環(huán)境因素（陰影）。

用于光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是最大限度地捕獲可用的年度太陽(yáng)輻射。設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的第一步是選擇光伏板。它取決于各個(gè)制造商提供的規(guī)格，例如性能、尺寸、功率和成本，在選擇使用哪種型號(hào)之前必須針對(duì)市場(chǎng)上的不同型號(hào)進(jìn)行比較。另一個(gè)步驟是定義必須并聯(lián)以產(chǎn)生所需電流的此類面板的數(shù)量，以及必須串聯(lián)以產(chǎn)生所需電壓的面板數(shù)量。

此外，方向是另一個(gè)需要考慮的方面：光伏電池板必須以固定角度（傾斜角）安裝在水平方向（傾斜角度 +/- 15° 的地方緯度會(huì)增加冬季或夏季的能源產(chǎn)量） ，或在太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)上最大限度地提高產(chǎn)量。

在大多數(shù)情況下，光伏發(fā)電機(jī)必須以最佳方式暴露在陽(yáng)光下，優(yōu)先選擇朝南的方向，并避免遮光現(xiàn)象。根據(jù)封裝發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)可能存在的架構(gòu)約束，采用不同的角度以獲得最佳效率。

除了面板之外，還需要選擇逆變器，這是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)性能和成本影響很大的組件。它還可以將面板的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電。逆變器的選擇基于眾多參數(shù)，例如轉(zhuǎn)換效率（輸出與輸入功率之比）、輸入電壓、標(biāo)稱和峰值功率、電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)、電流頻率、模塊化、功率因數(shù)等。

如果光伏系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)——即隔離的，沒有連接到電網(wǎng)——還需要選擇合適的電池或儲(chǔ)能和充電控制器，以防止它們過度充電或放電。光伏中最常用的蓄電池是鉛酸電池，價(jià)格便宜且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。

有關(guān)儲(chǔ)能的更多信息，請(qǐng)查看此處。

通常，所使用的系統(tǒng)是并網(wǎng)的，即它們通過將多余的能量饋入智能電網(wǎng)來共享多余的能量。當(dāng)光伏系統(tǒng)無法產(chǎn)生能量時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)提供幫助。在這些情況下，不需要電池。

有關(guān)太陽(yáng)能逆變器的更多信息，請(qǐng)單擊此處

圖 3：?jiǎn)蜗嗄孀兤髟韴D（來源：ABB）

發(fā)電機(jī)被修改以適應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的用于能量?jī)?yōu)化的負(fù)載。因此，操作點(diǎn)始終對(duì)應(yīng)于最大 PowerPoint。為此，逆變器中使用了一種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 的受控?cái)夭ㄆ?，它可以瞬間識(shí)別發(fā)電機(jī)電壓和電流值的扭矩，此時(shí)提供的功率最大。

審核編輯 黃昊宇