太陽能為住宅供電原理

有了光伏（PV）模塊，我們該如何利用呢？如何利用太陽能來為房間供電？盡管它并非像隨便在屋頂放置一些模塊那樣簡單，但也不是特別復(fù)雜。

首先，并非每個(gè)屋頂都有合適的朝向或傾斜角度可以充分利用太陽能。北半球的無軌道光伏系統(tǒng)應(yīng)指向正南（這是方位）。它們應(yīng)該以該地區(qū)緯度來設(shè)定傾斜角度，以便可以整年吸收盡可能多的能量。如果希望在上午或下午以及夏季或冬季獲得盡可能多的能量，可以采用不同的方位、傾角。當(dāng)然，不管在一天或者一年中的什么時(shí)間，模塊決不能被附近的樹木或者建筑物擋住。在光伏模塊中，即使36塊電池中只有一塊被擋住了，發(fā)電量也會(huì)減少一大半。

如果您有一間房子，它的屋頂沒有遮擋并且朝南，那么您還需要確定自己需要的系統(tǒng)規(guī)模。這是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，因?yàn)榘l(fā)電量取決于天氣情況，而天氣從來都是不可完全預(yù)測的，并且您的用電需求也會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。這些障礙很容易清除。氣象數(shù)據(jù)會(huì)提供不同地理區(qū)域每月的平均日照水平。其中考慮了降雨和多云天氣，以及緯度、濕度和其他更細(xì)微的因素。您在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到日照狀況最差的月份，這樣才能保證全年都有充足的電力供應(yīng)。有了這個(gè)數(shù)據(jù)，并且清楚自己家里的平均用電需求（通過用電帳單即可得知每月的用電量），可以用一些簡單的方法來確定您需要多少個(gè)光伏模塊。此外，您還需要確定系統(tǒng)電壓，這可以通過決定串聯(lián)的模塊數(shù)量來控制。

您可能已經(jīng)猜到我們要解決的幾個(gè)問題了。首先，在沒有太陽光照射時(shí)我們應(yīng)該怎么做？當(dāng)然，如果可以選擇的話，肯定沒有人愿意接受只在白天并且只在晴朗的白天才有電的生活。我們需要能量存儲(chǔ)裝置——電池。遺憾的是，電池為光伏系統(tǒng)增加了很多成本和維護(hù)工作。但是在目前，電池還是一個(gè)必需品，因?yàn)橹挥羞@樣才能完全擺脫天氣的影響。繞開這個(gè)問題的一個(gè)方法是，將房子與電網(wǎng)相連，從而可以在需要電的時(shí)候買電，而在發(fā)電量超過需要時(shí)賣電。這樣，電網(wǎng)實(shí)際上充當(dāng)了一個(gè)巨大的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。當(dāng)然，這需要征得電網(wǎng)方面的同意，并且在大多數(shù)情況下，它們從您這里買電的價(jià)格將比它們售電的價(jià)格低得多。您還需要特殊的設(shè)備來確保出售給電網(wǎng)的電力與它們的電力同步——即共享相同的正弦波形和頻率。安全性也是一個(gè)問題。電網(wǎng)需要確保如果在您的住宅附近出現(xiàn)斷電，您的光伏系統(tǒng)不會(huì)向線路工人以為已經(jīng)沒有電的線路供電。這稱之為隔離。

如果您決定使用電池，請切記電池是需要維護(hù)的，并且在一定年限之后需要更換。光伏模塊應(yīng)該可以使用20年或者更長的時(shí)間，但電池就沒有這么長的壽命了。由于電池中存有能量且包含酸性電解液，光伏系統(tǒng)中的電池可能非常危險(xiǎn)，因此您需要為它們提供一個(gè)通風(fēng)良好的非金屬外殼。

盡管常用的電池有好幾種類型，但它們都有一個(gè)共同的特性，即它們都是深循環(huán)電池。與您的汽車電池（淺循環(huán)電池）不同，深循環(huán)電池可以釋放出比存儲(chǔ)電能還要多的電能，同時(shí)還能保持較長的壽命。汽車電池在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)釋放很大的電流來啟動(dòng)您的汽車，并且在您駕駛時(shí)立即充電。光伏電池通常需要經(jīng)過較長的時(shí)段（如整夜時(shí)間）才會(huì)釋放出較小的電流，并在整個(gè)白天進(jìn)行充電。

最常用的深循環(huán)電池是鉛酸電池（密封式和開口式）和鎳鎘電池。鎳鎘電池雖然價(jià)格昂貴，但使用壽命較長，并且可以更徹底地放電而不會(huì)對(duì)其性能造成損害。即使是深循環(huán)鉛酸電池，在百分之百放電的情況下也不可避免地會(huì)嚴(yán)重縮短電池壽命。通常來說，光伏系統(tǒng)中鉛酸電池的放電率不會(huì)超過40%到50%。

另外，使用電池時(shí)還需要安裝充電控制器。如果能夠妥善使用電池，避免過度充電或過度消耗，那么電池的壽命會(huì)長得多。這正是充電控制器要做的工作。一旦電池充滿電，充電控制器就不再允許電流從光伏模塊繼續(xù)流入電池中。同樣，一旦電池電量消耗到一定水平（通過測量電池電壓來控制），很多充電控制器將不允許更多的電流繼續(xù)從電池流出，直至對(duì)電池進(jìn)行重新充電。充電控制器的使用對(duì)延長電池壽命起到了重要作用。

另一個(gè)問題是，由光伏模塊產(chǎn)生的電以及從電池中提取（如果您選擇使用電池）的電都是直流電，而電網(wǎng)所供應(yīng)的電（以及您房間中各種家用電器使用的電）是交流電。因此您需要一個(gè)換流器，這是一種能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備。大多數(shù)大型換流器還允許您自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作方式。有些名為交流模塊的光伏模塊實(shí)際上在每個(gè)模塊中內(nèi)置了一個(gè)換流器，因而無需使用大型的集中型換流器，并簡化了接線問題。

帶有電池存儲(chǔ)的光伏系統(tǒng)的一般示意圖

配備了安裝硬件、接線、接線盒、接地設(shè)備、過電流保護(hù)、直流和交流斷路器以及其他附件之后，您就有了一個(gè)自己的系統(tǒng)。安裝時(shí)必須遵守電氣法規(guī)（《美國國家電氣法規(guī)》（National Electrical Code）中有一個(gè)針對(duì)光伏系統(tǒng)的條款）。強(qiáng)烈建議由在光伏系統(tǒng)方面有經(jīng)驗(yàn)的持證電工來完成安裝工作。安裝完成之后，光伏系統(tǒng)幾乎不需要維護(hù)（尤其在不使用電池的情況下），并可在20年或者更長的時(shí)間里提供清潔、安靜的電能。

既然光電是這么好的一種免費(fèi)能源，那么為何全世界沒有都靠太陽能來發(fā)電呢？有些人對(duì)太陽能抱有一種錯(cuò)誤的觀念。盡管太陽光確實(shí)是免費(fèi)的，但光伏系統(tǒng)發(fā)的電并不是免費(fèi)的。從我們對(duì)家用光伏系統(tǒng)的討論中您可以看到，這個(gè)系統(tǒng)需要很多硬件。目前，一個(gè)安裝好的光伏系統(tǒng)的成本約為每峰瓦9美元。為了讓您對(duì)家用發(fā)電系統(tǒng)的成本有一個(gè)概念，讓我們來看一看太陽房——一幢位于北卡羅萊納州羅利市的模型住宅，北卡羅萊納州太陽能中心在其中安裝了光伏系統(tǒng)，以展示這項(xiàng)發(fā)電技術(shù)。這是一幢相當(dāng)小的住宅，據(jù)估計(jì)，它的3.6千瓦光伏系統(tǒng)將滿足總電力需求的一半（該系統(tǒng)沒有使用電池，而是與電網(wǎng)相連）。盡管如此，以每瓦特9美元的價(jià)格來計(jì)算，安裝這個(gè)系統(tǒng)將花費(fèi)您大約32,000美元。

光伏系統(tǒng)之所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，原因就在于此?，F(xiàn)在，它確實(shí)無法與電網(wǎng)競爭。不過，隨著研究工作的深入，太陽能發(fā)電的成本將會(huì)下降。研究人員相信，總有一天，市區(qū)的光伏系統(tǒng)的成本效益會(huì)同偏遠(yuǎn)地區(qū)一樣。部分問題在于，必須大規(guī)模生產(chǎn)才能盡可能地降低產(chǎn)品成本。而只有產(chǎn)品價(jià)格降到有競爭力的水平，才會(huì)產(chǎn)生對(duì)光伏系統(tǒng)的需求。這就陷入了進(jìn)退兩難的境地。即便如此，需求量和模塊效率還是在不斷地提高，產(chǎn)品價(jià)格也在不斷地下降，全世界也越來越關(guān)注傳統(tǒng)電源所帶來的環(huán)境問題，所有這些都為光電技術(shù)帶來了光明的前景。