Smart Design Notes是關(guān)于能源設(shè)計某些方面的教程。它將成為智能能源設(shè)計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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到達地球的太陽輻射是由太陽中所含氫的聚變過程釋放出的無限能量來源。這種能量不會經(jīng)常到達地球表面。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）

光伏面板

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

當光線擊中構(gòu)成光伏電池的半導體材料薄層（PN 結(jié)）時，光子，即構(gòu)成太陽光線的能量粒子，將它們的能量傳遞給電子。材料立即開始向特定方向移動，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。

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

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)生了從較高電壓單元塊到較低電壓塊的循環(huán)電流。因此，模塊產(chǎn)生的一部分功率會在其中消失（失配損耗）。

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

這個標準尺寸允許您將幾個面板相互比較：峰值功率較高的面板顯然會產(chǎn)生更多的電力。最后，可以根據(jù)安裝地點評估光伏系統(tǒng)的年產(chǎn)量。

設(shè)計特點

光伏系統(tǒng)連接到配電網(wǎng)的能量規(guī)格，除了經(jīng)濟可用性外，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)計原則是最大限度地捕獲可用的年度太陽輻射。設(shè)計光伏系統(tǒng)的第一步是選擇光伏板。它取決于各個制造商提供的規(guī)格，例如性能、尺寸、功率和成本，在選擇使用哪種型號之前必須針對市場上的不同型號進行比較。另一個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° 的地方緯度會增加冬季或夏季的能源產(chǎn)量） ，或在太陽跟蹤系統(tǒng)上最大限度地提高產(chǎn)量。

在大多數(shù)情況下，光伏發(fā)電機必須以最佳方式暴露在陽光下，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，這是一個對系統(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、標稱和峰值功率、電壓調(diào)節(jié)和保護、電流頻率、模塊化、功率因數(shù)等。

如果光伏系統(tǒng)是一個獨立的系統(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，價格便宜且?guī)缀醪恍枰S護。

有關(guān)儲能的更多信息，請查看此處。

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。當光伏系統(tǒng)無法產(chǎn)生能量時，電網(wǎng)系統(tǒng)會提供幫助。在這些情況下，不需要電池。

有關(guān)太陽能逆變器的更多信息，請單擊此處

圖 3：單相逆變器原理圖（來源：ABB）

發(fā)電機被修改以適應系統(tǒng)產(chǎn)生的用于能量優(yōu)化的負載。因此，操作點始終對應于最大 PowerPoint。為此，逆變器中使用了一種稱為最大功率點跟蹤 (MPPT) 的受控斬波器，它可以瞬間識別發(fā)電機電壓和電流值的扭矩，此時提供的功率最大。

審核編輯 黃昊宇