摘 要

20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。研究便于普及型的家庭式太阳能发电系统对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。

首先通过计算得出驻马店地区太阳能光伏方阵的最佳倾角及相应斜面上的历年逐月的日均太阳能辐射量，然后再利用计算出的相关太阳能数据进一步计算选出了该家庭式太阳能发电系统的各主要设备的参数和规格，同时对设备参数进行了优化选择，选出了最佳的光伏方阵和蓄电池容量，最后对系统整体造价、每日发电量、节约能源进行计算，说明家庭式太阳能发电系统的巨大的社会效益。

关键词：光伏发电；家庭式太阳能；太阳辐射；最佳倾角

Abstract

After the 1970s, solar photovoltaic power generation in the world has been attached to and made ​​considerable progress. Solar photovoltaic technology as the utilization of solar energy is an important part of and is considered a power generation of the twenty-first century the most development potential. Research on photovoltaic solar power generation systems to alleviate the energy crisis and reduce environmental pollution, and reduce the greenhouse effect is of great significance.

In this paper, calculated Zhumadian area solar photovoltaic array, the optimum tilt angle and the corresponding slope on the calendar year monthly average daily solar radiation, the use of solar data further calculation to elect a main device parameters of the solar power system and specifications of the equipment parameters were optimized check, and then select the best of the PV array and battery capacity, and final note of the enormous social benefits of home solar power system.

Keywords: Photovoltaic; Home solar; Solar radiation; The optimum tilt angle

1 绪论

1.1选题的背景意义和价值

随着常规能源的大量消耗，使得可再生能源越来越多的受到21世纪人类的关注。对能源资源消耗所引发的气候变化等一系列问题，不仅是对中国提出的挑战，也是对世界提出的挑战,能源短缺使太阳能光伏发电越来越受青睐。太阳能之所以受到世界各国越来越多的关注主要是因为其具有以下优点：(1)太阳的历史寿命长，与人类的历史(约30万年)相比，太阳具有很长的寿命，所以对人类来讲,太阳能几乎是无限的能源：(2)太阳是十分强大的能源供应体，太阳光40min内赐予地球的能量如果能够都为人类所利用的话，估计就能满足全世界一年的能源消耗；(3)太阳能不会造成环境污染、能源损失等社会问题；(4)能量获取简单直接，在使用现场就能从太阳光获得能量。

1839年，法围科学家贝克雷尔(Bccquml)发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这种现象后来被称为“光生伏打效应”简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔挫在美圈贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域之，也是其中最受瞩目的项目之一。太阳能光伏发电具有水电、火电、核电所不能比拟的清洁性、安全性、普及性等优点。随着科学进步，光伏发电技术已可用于任何需要电力且有光照的场合。

据国际能源署预测，到2020年，全球光伏发电量将占总发电量的2％。最近5年，德国、西班牙、日本等许多国家都在鼓励发展包括太阳能光伏在内的可再生能源，光伏电池产量年平均增长率超过40％，迅速“发酵”的国际市场也拉动了我国光伏产业的发展。据统计，目前我国已经成为全球第一大光伏电池生产国，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但将替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到2l世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位[1]。

中国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国，但电力对中国经济发展的制约作用已开始显现，国内数以百万计的企业亟待进行节电改造。随着人们生活水平不断提高，社会经济活动和交流日益频繁与扩大，生活用电量不断增加，如何充分利用电力、节约电能、保障电力品质，已经成为我国亟待解决的问题，利用太阳能光伏发电必定是最好的选择。随着太阳能光伏发电在人们生活中被逐步认识和大量应用，广泛使用绿色能源对减少二氧化碳和其它有毒气体的排放，防治大气污染，保护生态环境具有重要意义。因此，研究开发太阳能发电的绿色能源具有强烈的紧迫性。

1.2 太阳能光伏发电利用的现状

1.2.1 国外太阳能光伏发电利用状况

在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠，同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能利用的研究。

欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月提出了计划——在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500MW，每个屋顶约3-5KW。日本政府的计划目标是，到2010年安装500MW屋顶光伏发电系统[2]。

在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。2005年，全球太阳能电池年产量达到了1650MW，累计装机发电容量超过5GW，其中，日本太阳能电池产量达到762MW，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到了464 MW；美国增加12%，达到了156MW；世界其他地区增加96%，达到了274MW。我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望达到10400MW，较2005年的年产量增长6.3倍；整个行业的销售收入有望在2005-2010年间，从130亿美元提高至450亿美元，在未来5年内增长3.5倍。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。

到2010年年末，欧洲累计安装29617.145 MW，占世界光伏发电装机总容量的74.5%。以国家而论，世界最大的光伏发电国家是德国，2010年末装机容量高达17320 MW，占世界份额的43.5%；西班牙和日本装机容量分别为3892 MW和3617.2 MW，占世界的份额为9.8%和9.1%；意大利、美国分居世界第四和第五位，占世界的份额为8.8%和6.3%。

从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也已遍及几乎所有的用电领域。

1.2.2 国内太阳能光伏发电利用状况

我国1958年开始研究太阳电池，于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上，1973年开始将太阳电池用于地面一天津港的航标灯。1979年开始用半导体工业的次品硅生产单晶硅太阳电池，使太阳电池成本明显下降，打开了地面应用的市场。当时太阳电池面积小，采用真空蒸镀银铝的方法制作太阳电他的电极。80年代中期，引进国外太阳电池生产线或关键设备，使我国太阳电池生产能力达4.5MW。2005年后，我国光伏产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。

我国太阳能资源丰富，年日照时数大于2000小时，年太阳能辐射总量高于每平方米1389千瓦时的一、二、三类地区约占全国总面积的三分之二以上，具有太阳能利用的良好础。我国地域辽阔，经济发展不平衡，西部地区尽管具有丰富的电力资源，但是由于受到地理环境、交通和环境保护等因素制约，从经济角度考虑常规电力无法进入，使得这些地区经济和人们的生活环境极其落后，国家西部大开发战略，给这一地区的经济发展注入了活力。正在实施的“光明工程”解决了部分无电乡生活、办公、学校用电问题，使一大批农牧民结束了无电的历史，改善了生活质量。

随着我国对可再生能源扶持力度的逐步加大，我国的太阳能光伏产业取得了很大的进展。2008年我国首座太阳能发电一体化建筑的大厦在河北保定市正式投入运营，总装机容量可达0.3MW，相当于一个小型发电站，发出来的电不仅供大厦使用，还可直接并入电网。此座建筑大面积、多角度采用了太阳能发电技术，安装并网容量达0.3MW，不仅能满足大楼群的公共照明，而且能够并网发电。我国一些知名高校也成立的太阳能光伏发电实验室，如河南省黄淮学院2009年建成的的太阳能光伏发电实验室，充分利用学校建筑面积总装机量达到了2MW，经升压变压后直接并与电网，实现电能互补利用。如除此之外，海南省也力争打造“光伏岛”等。

到2010年，中国光伏电池产量达到8GW，成为全球第一大光伏制造基地，占全球50%的产量，但国内光伏系统安装量仅约50MW，光伏系统的累积装机容量仅约1 GW，相当于世界当年安装量的0.5%和世界累计安装量的2.2%。其中：农村电气化（包括道路照明）累计装机容量400MW，通讯和工业应用300MW，光伏产品（路灯、草坪灯、城市景观、LED照明、交通信号等）30MW，并网光伏发电270MW。所以，我国的太阳能光伏产业急需更更广泛的推广应用。

国家科技部最近发布的《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》提出“十二五”期间，要实现光伏技术的全面突破，促进太阳能发电的规模化应用，初步建立太阳能发电国家标准体系和技术产品检测平台，形成我国完整的太阳能技术研发、装备制造、系统集成、工程建设、运行维护等产业链技术服务体系[3]。发展改革委能源研究所副所长李俊峰认为，今后5-l0年内，我国光伏发电系统的应用一方面还将以户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，另一方面，要借鉴发达国家发展屋顶系统的经验，在大中城市的道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用。

1.2.3 家庭式太阳能发电系统的现状

目前，国内家庭式太阳能光伏发电系统现阶段主要是用于无电、缺电的人口通电。至2010年底，已有大约75万套家庭式太阳能光伏发电系统进入用户家庭。在这些用户之中，大多数都是牧区的牧民家庭，这些家庭的通电水平还比较低，一般只能满足基本的照明需要。除此以外，还有林区和农区的农户和养蜂户以及无电的公路道班、学校、商店等小单位以在使用家庭式太阳能光伏发电系统，还有一些缺电地区的城镇居民，也成为家庭式太阳能光伏发电系统的用户。如果这些家庭式太阳能光伏发电系统的保有量按80%计，加上国家光明工程和送电到乡工程的光伏电站，中国目前至少有100万户家庭主要依靠光伏发电系统解决基本的生活照明用电[3]。

到2010年底，中国的光伏发电市场累计安装量达到70MW，其中约43%为农村电力建设方面的应用，而全国大约还有300万无电户，估计其中至少还有150万户需要在今后的十年内采用光伏或风光互补发电系统来解决。由于居住条件的限制，输电设备很难到达，他们中的大多数只能采用分散的供电方式，即采用家庭式太阳能光伏发电系统。而许多已经用上光伏系统的用户也将升级换代，提高用电水平。因此，研究家庭式太阳能发电系统有着很现实的意义。

1.2.4 本设计研究的内容

随着太阳能光伏发电价格不断下降及国家相关政策的支持，国内太阳能光伏发电系统迎来了一个快速发展的时期，但是我国目前投入较大的是大型并网光伏发电系统，对独立型小功率太阳能发电系统的研究很少，尤其是对完整的家庭式太阳能系统研究设计更少，然而家庭式太阳能发电系统灵活性和经济性都大大优于大型的并网发电系统，有利于广泛普及。

现本人计划设计一套完整的功率约为2KW的普通家庭式太阳能发电系统，每天发电量约为8kW.h, 能满足普通家庭用户日常的用电需求，可以解决偏远地区用户用电困难的问题，更重要的是它还有很好的社会效益。一套微型的300W太阳能发电系统，每年大约发电量250kW.h，每年减少发电消耗标准煤100KG，减少向大气排放二氧化碳300KG，减少二氧化硫6.88KG，广泛推广必将产生巨大的社会效益。此外该系统还可以有效地利用建筑屋顶，节约宝贵的土地资源，太阳能发电阵列一般可安装在屋顶及墙面上直接吸收太阳能，发电的同时又可以降低墙面及屋顶的温度，减轻建筑的空调负载，从而进一步降低了耗能。

2 家庭式太阳能发电系统的原理和组成

2.1 家庭式太阳能发电系统的原理

太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏特效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子——空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。

2.2 家庭式太阳能发电系统的组成

一般来说，家庭式太阳能光伏发电系统主要包括太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。家庭式太阳能光伏发电系统的结构如图2-1所示。

图2-1 家庭式太阳能光伏发电系统的结构图

太阳能电池组件是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能；控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行；蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电；逆变器是将直流电变换为交流电的设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交流负载供电时，逆变器是不可缺少的。

2.2.1 太阳能电池方阵

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm2cm到15cm15cm不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.45～1.5V，工作电流约为20～25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率[4]。

（1）太阳能电池简介

一个太阳能电池只能产生大约0.45V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，须把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池组件的标准数量是36或40个（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效的充电。

（2）太阳能电池的封装类型

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。太阳能电池的封装方式主要有以下两种：①双面玻璃密封。太阳能电池组件的正反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。这种密封方式存在的一个主要问题是玻璃板与接线盒之间的连接。这种连接不得不通过玻璃板的边沿，因为在这种玻璃板上打孔是很昂贵的。②玻璃合金层叠密封。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可用导线连接[5]。

（3）太阳能电池的电气特性。

组件的电气特性主要是指电压—电流特性，也称为V-I曲线，如图2-2所示。V-I曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。

如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I=0，此时的电压称为开路电压Voc.太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI。

当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从0（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，

图2-2 太阳能电池V-I特性曲线

（I－电流；Isc－短路电流；Im－最大工作电流；V－电压；Voc－开路电压；Vm－最大工作电压；Pm－最大功率；）

功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Voc。在组件的输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流)；该点的功率，称为最大功率Pm。

（4）性能测试

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度，1000W/m2；光谱，AM1.5；电池温度，25℃。在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳能模拟器测定并与国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。在户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大[6]。

（5）热斑效应和旁路二极管

在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载，消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能很严重地破坏太阳能电池。有光照的太阳能电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的太阳能电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

（6）连接盒

连接盒是一个很重要的元件，它保护太阳能电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含1个接线盒和1只或2只旁路二极管。

（7）可靠性和使用寿命

考察太阳能电池组件可靠性的最好方式是进行野外测试，但这种测试需经历很长的时间。为能用较低的费用在相似的工作条件下以较短的时间测量出可靠性，一种新型的测试方法正在发展之中，即加速使用寿命测试方法。这种测试方法，主要是依据野外测试和过去所执行的加速度测试之间的关联度，并基于理论分析和参照其他电子测量技术以及国际电工技术委员会太阳能光伏能源系统标准化委员会的测试标准（IEC/TC82）而设计的。在IEC规范的503条中描述了一整套可靠性的测试方法。这一规范包含如下测试内容：UV照明测试；高温暴露测试；高温/高湿测试；框架扭曲度测试；机械强度测试；冰雹测试；温度循环测试。

太阳能电池发电系统中的太阳能电池组件的期望使用寿命至少是25年，具体寿命决定于太阳能电池组件结构性能和当地环境条件。

2.2.2 防反充二极管

又称阻塞二极管。其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。它串联在太阳能电池方阵电路中，起单向导通作用。要求其能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小，其耐压一定要比被充电的电池电压高，否则电池就会被击穿。蓄电池电压要按最高电压计算，电池充满时的电压约为标称的1.2倍。为了防止意外，应留出余量，一般取最大值的1.414倍。

2.2.3 蓄电池组

目前太阳能光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，太阳能光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。

太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的要求是：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业免维护铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池[7]。

2.2.4 控制器

是家庭式太阳能发电系统的核心部件之一。家庭式太阳能发电系统的控制器一般应具备如下功能：①信号检测。检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状态和参数，为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。②蓄电池最优充电控制。控制器根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状态，确定最佳充电方式，以实现高效、快速地充电，并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。③蓄电池放电管理。对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。④设备保护。光伏系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制器来提供保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过压和负载短路而出现的过流等，如不及时加以控制，就有可能导致光伏系统或用电设备损坏。⑤故障诊断定位。当光伏系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，为对系统进行维护提供方便。⑥运行状态指示。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。

2.2.5 逆变器

逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。对逆变器的基本要求是：①能输出一个电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为2%。②能输出一个频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为0.5%。③输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。一般输出的电压可调范围为5%，输出频率可调范围为2Hz。④具有一定的过载能力，一般能过载125%～150%。当过载150%时，应能持续30s；当过载125%时，应能持续1min及以上。⑤输出电压波形含谐波成分应尽量小。一般输出波形的失真率应控制在7%以内，以利于缩小滤波器体积。⑥具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。⑦起动平稳，起动电流小，运行稳定可靠。⑧换流损失小，逆变频率高，一般在90%以上。⑨具有快速的动态响应[8]。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，晶体管正弦波（或准正弦波）逆变器将成为发展的主流。

3 家庭式太阳能发电系统的设计

3.1 家庭式太阳能发电系统整体设计步骤

图3-1 家庭式太阳能发电系统设计步骤框图

如图3-1为家庭式太阳能发电系统设计步骤框图。家庭式太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池和蓄电池容量的计算，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制系统选型和设计。由于软件设计牵涉到复杂的太阳能辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成的；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。

在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳辐射量，实际使用时必须设法换算到相应阵列倾斜面上的辐射量。对于偏远地区的太阳辐射数据可能并不类似于附近的城市，可采用邻近某个城市的气象资料或类似地区气象观测站所记录的数据进行类推。

3.2 光伏方阵最佳倾角计算

由于太阳光照射到地面的角度时时刻刻都在变化，而太阳能电池只有在日光直射的时候发电的效率是最高的，因此太阳能电池方阵布置有两种方法: 一种是安装向日跟踪系统; 另外一种是根据计算确定最佳安装角度安装太阳能电池方阵。前者可以提高太阳能电池的发电效率，但成本很高，后一种虽然效率没有前者高，但建设成本较低，综合考虑采用第二种方法。

（1）计算方法[9]

根据天空散射各向异性模型的计算方法，在纬度为φ处，倾角为β的斜面上，其太阳辐射量为：

式中：Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；Rb 为倾斜面与水平面上直接辐射量之比；H0 为大气层外水平面上太阳辐射量。

对于朝向赤道的斜面：

式中δ 是太阳赤纬角，可由Cooper 方程近似计算：

式中N为一年中的日期序号， 根据《Solar Engineering of Thermal Processes》Edited by John A. Duffie and William A. Beckman 推荐各月所取的典型日期见表3-1。式中ωS和ωST分别为水平面和倾斜面上日出时角，

表3-1 各月所取的典型日期

由（3-1）于（3-5）可由下式求出：

式中ISC=1367W/m2为太阳能常数。

（3-1）式中ρ为地物表面反射率。一般情况下，最后一项地面反射辐射量很小，只占HT的百分之几。式中H为水平面上总辐射量。ρ为地面反射率，范围大致为0.2～0.7，通常取ρ=0.2。在实际应用时，倾角的计算结果精确到1°已经足够。具体计算过程相当复杂，为此可利用计算机软件，只要输入安装地点的太阳辐射资料及地理纬度等数据，即可算出任意倾角下的平均日辐射量，最后确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量[10]。

（2）平均峰值日照时数计算

由太阳能电池倾斜面方阵上有辐射资料的历年逐月日平均太阳能辐射量可求出全年平均日太阳辐射量HT,，并用单位mWh/cm2表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数T0，如式（3-7）所示。

（3）驻马店地区的气象资料

驻马店位于河南中南部，北接漯河，南邻信阳，地处淮河上游的丘陵平原地区。位于北纬32°18´—33°15´，东经113°10´—115°12´，地处亚热带与暖温带的过渡地带，具有亚热带与暖温带的双重气候特征，是典型的季风型半湿润气候。主要特点是：季风分明、四季分明、温湿适中、雨热同季。年平均太阳辐射总量112～120千卡/平方厘米，年平均日照时数约为2000～2200小时。全年平均气温15℃，极端最低气温-21℃，极端最高气温达44℃。全市多年平均降水量为920mm，南部多于北部，西部多于东部。常年主导风向冬季为西北风和北风，夏季为东南风和南风，最大风速为25米/秒。

表3-2 驻马店市 (1998-2008)年平均基本气候资料

根据驻马店地区的历年逐月日平均辐射量及驻马店地区的纬度经计算驻马店地区平均实际日照时数7小时；平均峰值日照时数（组件表面上）为4.33小时；最小的日峰值日照时数为3.68小时；驻马店地区的太阳能电池组件最佳倾角为41°。结果见表（3-3）所示。

表3-3 驻马店光伏方阵最佳倾角及其相应斜面上的历年逐月日平均辐射量

3.3 家庭日用电负荷计算

本次试验设计所用的家庭负荷量数据采用调查访问的形式获得，对普通家庭式日常用电负荷进行调查，计算统计出家庭常用负荷的功率及其用电时数，表3-4为普通家庭日常负荷表。

表3-4 普通家庭日常负荷统计表

由统计表知普通家庭家用负载总功率约为1.78KW；每日耗电量L约为5.77kW.h 。

3.4 电池组件的确定

太阳能电池组件板的功率

式中，L为负载每天总耗电量；T0为平均峰值日照时数；η1为蓄电池充电效率（0.80～0.90）；η2为方阵方阵组合损失表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9～0.95；η3为逆变器的转换效率，通常可取0.9～0.98。K为考虑一些未知工作因素，而引入的安全系数，可根据电压等级，数据准确程度，运行环境等，在1.05～1.30之间选取。

由日耗电量L=5.77kW.h，可计算出该系统需要太阳能电池板的总功率PA=1.67KW，由此可以选择总功率为1.7KW的太阳能组件，一般采用太阳能电池标准组件，通过串并联构成所需要功率的太阳能电池方阵。该系统可采用36块每块电压为0.5V，功率为2.8W的太阳能电池板串联成面积125×125，电压18V，功率100W单晶太阳能电池组件，再用17块该太阳能组件进行并联使用。

3.5 蓄电池容量的确定

在独立型家庭式太阳能光伏发电系统中，蓄电池是仅次于光伏组件的最重要部件，而且随着光伏组件价格的不断降低，蓄电池在总投资中的比例正在逐渐增加。所以，合理配置蓄电池容量十分重要：容量过大，不仅增加投资，而且会造成蓄电池充电不足，长期处于亏电状态，加上自放电等原蓄电池容量因，蓄电池容易损坏；容量太小，容易造成过放电，不能满足负载用电需要。参考<>和<>两个文献，蓄电池容量的计算可以根据用电负荷和连续阴雨天数来确定，实际计算可按式（3-9）：

式中，C－蓄电池容量, S－蓄电池供电支持的天数（一般取2.5～5.0d）, L－负载平均每天用电量,；DOD－蓄电池放电深度（一般取0.8）, ηout -从蓄电池到负荷的效率:ηout = Fo×Fi, Fo－交流配电电路效率（一般取0.95）,Fi－逆变器效率（一般取0.90～0.98）,K－蓄电池放电容量修正系数（一般取1.2）等于蓄电池Amp-hour效率的倒数。

根据系统要求计算日耗电量L=5.77kW.h，再根据式(3-9)，可算出蓄电池组的容量C值为27.91kWh，选择12V的标称电压铅酸蓄电池单体，串联成24 V电池蓄电池组；根据电池组容量安时数等于所需瓦时除以电池组电压，得电池组的容量C′= C/24 = 1162.86Ah，所以可选择12个12 V，200 Ah的密封免维护铅酸蓄电池先两两串联后再进行并联，即可接成满足需要的蓄电池组。

3.6 逆变器和控制器的确定

根据用户的负载实况要求计算出负载总功率为P负为1.77KW，由于负载的总功率大于逆变器总功率的80%时，逆变器会发热过度减少逆变器的使用寿命，所以选择逆变器时需要有设计余量，一般逆变器的功率计算为P逆= P负/η ，一般η取80%，则P逆为1.77kW/80% =2.22KW，所以需要选用3KW的逆变器。

太阳能电池板需要的时均总功率为PA为1.7KW ，由于采用24 V电池，因此系统最大电流约为PA/24 =70.8 A，我们可选择24 V 80A的控制器。

3.7 太阳能组件安装设计

本次设计选定的驻马店地区位于北纬32.58o，经计算太阳能电池组件最佳倾角为41o，；比较理想的安装位置是将太阳能电池板直接安装在屋顶上，依据屋顶的倾角合理安排，依托不锈钢支架安装太阳能电池板[11]。

一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。通常，在电池组件周围有建筑物及山峰等物体时，太阳出来后，建筑物及山的围会存在阴影，因此在选择铺设太阳能组件的地方时应尽量避开阴影。如图3-2与图3-3 为家庭式太阳能发电系统的初步设计框图，图3-4为家庭式太阳能发电系统连接框图

图3-2 家庭式太阳能发电系统的初步设计框图

图3-3 家庭式太阳能发电系统的初步设计框图

图3-4 家庭式太阳能发电系统的接线图

3.8 家庭式太阳能系统的效益分析

3.8.1 系统的投资预算

系统设备具体选择如下：

（1）太阳能电池组件：选用选用中国深圳市鑫光源太阳能科技有限公司的的多晶硅XGY-100P系列太阳能电池组件17块进行并联。性能优势：高透光率的刚性玻璃，提高光的穿透性和组件的机械强度，组件玻璃具有自清洁能力，降低灰尘及其他影响组件发电效率的机率；对所有组件进行功率和电流分档，以提高系统整体性能和组件的寿命；防水接线盒和集成旁路二极管，以减少太阳能电池组件因表面被遮挡造成的热斑效应从而引起的组件损伤；通过多项国际认证和测试IEC, Tuv, CE, ISO，提供五年的产品质量保证和10-25年的产品功率保证。工作参数指标：最大功率 100W；工作电流 5.88A；工作电压 17.2V；系统电压 12V；开路电压 21V；短路电流 6.5A；电池数量 36只；外形尺寸 1161×670×35（mm）；参考重量 8.6KG。

（2）蓄电池电池组：选用中国深圳环宇昌电池有限公司的铅酸电池，选择容量为200Ah的12块电池，两两串联后再进行并联。工作参数指标：电压：12 V；型号：HYS122000 ；化学类型：免维护； 电液量：标准 L；外型尺寸：327*172*225 mm；额定容量：200Ah ；重量：29.8KG。由此知防反充二极管的耐压值可取35V。

（3）控制器：选用中国北京普泰日盛的大功率控制器。性能优势：可根据不同的使用环境调整参数，最大效率的进行光-电能量转换；淘汰了传统控制器落后的技术，采用了全新的硬件技术；采用真正的多级PWM充电模式，有效延长蓄电池寿命；具有过充、过放、过热、电子短路、过载保护，防反接等完善的保护功能；温度适应范围（-25℃--55℃），并自带温度补偿程序，令控制器在充放电控制中自动适应当前温度,有效保护蓄电池。工作参数指标：额定电压12V/24V/48V/220V，过充电压14.4V、×2/24V，过放电压11.1V、×2/24V,负载能力40A/60A/80A/100A/120A。

（4）逆变器：选用中国北京普泰日盛的中等功率逆变器。性能优势：逆变器核心元器件全部为美国原装进口，安全、稳定、可靠；标准工频纯正弦波输出，适用于任何负载；抗冲击能力强，150%过载可工作20s，最大程度避免客户在使用不当的时造成设备损坏；输入、输出回路完全隔离，确保用户安全使用；完善的保护功能：自动稳压、过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护、过热保护、直流端防反接保护等。工作参数指标：额定功率：1KW～5KW；输入电压：DC12V/24V/48V；输出电压：AC220V/110V；输出频率：50HZ±0.05Hz；逆变效率：95%。

该家庭式太阳能发电系统的总投资约为6.61万元，具体预算如表3-5所示。

表3-5 家庭式太阳能发电系统建设投资预算 RMB 6.61万元

3.8.2 系统的经济效益

节约的电量计算如下：

式中 PA为太阳能电池板的最大功率量，该系统为1.7KW；T0为平均峰值日照时数，4.33h；η1为蓄电池充电效率（0.80～0.90）；η2为方阵表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9～0.95；η3为逆变器的效率通常可取0.9～0.98；E0为线路传输损耗，综合考虑可取0.05；N为每年的天数，通常可取365。

每年节约的用电量：P=2138.69 kW.h

年节约电费A1=1132.24 kWh×0.56元=1191.66元

此外还有个对应电价上调节约的增加额G1=1132.24 kW.h×0.04元=85.54元

分别利用等额收付(Uniform Series Present Worth Factor)和递增等差收付序列(Present Worth Factor of the Uniform Gradient Series)现值计算公式，25年节约电费现值P计算过程如下：

式中i是对应于可再生能源系统的社会年利率(10%),n是光伏发电系统的太阳能电池组件工作年限, A是每年光伏发电系统节省的等年值电费, G是光伏发电系统每年节省的因电价预期上调增加的等差变额电费。

P=1191.66+

=16607.50元

3.8.3 系统的社会效益

根据专家统计：每节约 1度（千瓦时）电，就相应节约了0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）。

则该系统每年可以为国家节省发2138.69度电所消耗的标准煤0.86吨，减少排放污染物0.582吨碳粉尘、2.132吨二氧化碳（CO2）、0.073吨二氧化硫（SO2）、0.032吨氮氧化物（NOX）。

经过计算可以知道，目前家庭式太阳能系统的造价成本相对较高，但是可以用于偏远地区。当然了我们不能只考虑到它的经济效益，还要考虑其巨大的社会效益。随着光伏发电技术的提高，以及国家对新型能源扶持力度的加大，家庭式太阳能发电系统必将以惠民的价格走入千家万户，创造出巨大的社会效益。

4 总结与展望

4.1 总结

太阳能是一种清洁、可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。众所周知，我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。对能源的需求，对新技术的追求以及人们不断提高的物质文化的需要，都将促使太阳能光伏技术成为21世纪的关键技术，而家用太阳能光伏发电系统也必会走进千家万户。

本次设计的家庭式太阳能发电系统，平均每天发电量约为6度，能满足一般的家庭用户日常需要，总体设计比较合理。本文的主要内容：

（1）庭式太阳能发电系统的背景及意义，以及它美好发展前景。

（2）介绍了家庭式太阳能发电系统的主要组成及工作原理。

（3）家庭式太阳能发电系统的设计过程，并对相关组成部件进行优化设计，确保系统的可行性。

（4）对家庭式太阳能发电系统进行效益评估，说明它重要的价值。

4.2 展望

目前独立家庭式太阳能发电系统成本总体较高，这是制约我们太阳能发展的关键因素。比较合理的投资计划是将家庭式太阳能发电系统并入国家电网，白天太阳能发电直接补充电网电力，夜晚再由电网供电，还可以节省出蓄电池的成本，但是我国目前并网机制尚不完整，国家对太阳能发电系统的补贴政策还不明确。家庭式太阳能发电全国普及需满足以下条件：

（1）太阳能组件每瓦价格低于六元，预计五年内实现。2012年5月16日举行的SNEC（）2012展会，由昱能光伏第二代微逆系统构成的光伏系统价格已经进入8元时代，即包括组件及支架的系统每瓦价格可低至人民币8.8元左右。

（2）硅片转换效率高于20%。据最新报道：我国英利绿色能源集团推出的熊猫”N型单晶硅电池转换效率量产达19%，实验室最高转效率达20%，组件转换效率达16.2%。

（3）国家电网允许并大力支持双向电表。

（4）太阳能发电价格在1.5--2.0元之间。

（5）国家电网智能调峰系统。

如能达到以上条件，投资家庭式太阳能发电系统能在五年内收回成本，家庭式太阳能发电系统将会更加广泛的使用，从而创造出巨大的经济效益与社会效益。

随着我国对新能源的重视，我国的并网发电机制肯定会日益完善，国内太阳能光伏产业必将迎来更加广阔的发展空间。目前我国应抓紧制定并出台支持光伏发电实施的政策，开展国家电价补贴、家庭式太阳能系统安装费用补贴等惠民政策，启动“太阳能屋顶电站工程”、“建筑一体化光伏发电工程”、“地面光伏电站工程”，扶持光伏企业发电项目，来大力发展此“绿色能源系统”—太阳能光伏产业，实现能源结构调整，早日实现我国可持续发展的战略。

参考文献

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[2] 沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术——可再生能源丛书[D] ．：化学工业出版社，2005-9-1．

[3] 杨德仁，汪雷．第十届中国太阳能光伏会议论文集迎接光伏发电新时代[D] ．：浙江大学出版社，2008-9-1．

[4] 冯良桓，张静全．中国太阳能光伏进展[D] ．：西南交通大学出版社，2006．

[5] 赵争鸣，刘建政，袁立强．太阳能光伏发电及其应用[D] ．：科学出版社，2008．

[6] 张和生．光伏发电系统理论[D] ．：太原理工大学，1998．

[7] 孙少军．铅酸蓄电池充电技术及发展概况[D] ．：浙江科技学院，2001．

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[9] 杨金焕．不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算[N]．上海交通大学学报，2002-7.

[10] Mr West Bridge. Analysis of solar energy applications [R]. Beijing: Institute of Nuclear Energy Technology, Tsinghua University, 1997.

[11] 刘树民，宏伟．太阳能光伏发电系统的设计与施工[D] ．：科学出版社，2006-4-1．

致谢

短暂的四年大学生活很快就要结束了，我曾多么憧憬美好的学生时代，如今当自己临近毕业时，我又留恋已经流逝的四年学生生涯。

本文是在导师的悉心指导和亲切关怀下，经过自己不断的学习和修改完成的。老师严谨的学风，渊博的学识，谦逊的为人，丰富的实践经验，高瞻远瞩、敏锐的科学眼光，将是我永远学习的楷模；老师乐观、正直、朴实的生活态度，令我深深敬佩；老师对我的谆谆教诲，将使我终生受益。在此，我要对我的导师谨致以衷心的感谢和崇高的敬意；我还要感谢电子科学与工程系给我提供良好的实验环境；在论文写作期间，电子科学与工程系的各位也老师给了我很大帮助和启示，使我学到更多的知识，从而顺利的完成毕业论文，在此一并表示衷心的感谢。祝愿他们身体健康，工作顺利，事业上取得更大成功。

我更要感谢我的家人和同学，是他们给予了我物质上的资助和精神上的鼓励，使我得以顺利完成学业。 再次衷心地感谢所有在我四年读书期间帮助过我的老师、同学和朋友，祝大家一生平安！

2012年5月20日

附录

表1 全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量

表2 我国主要城市的辐射参数表

家庭式太阳能发电系统的设计