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，但也不是特別復雜。

首先，并非每個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應指向正南（這是方位）。它們應該以該地區緯度來設定傾斜角度，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。當然，不管在一天或者一年中的什么時間，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，發電量也會減少一大半。

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規模。這是一項復雜的工作，因為發電量取決于天氣情況，而天氣從來都是不可完全預測的，并且您的用電需求也會隨時發生變化。這些障礙很容易清除。氣象數據會提供不同地理區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、濕度和其他更細微的因素。您在設計時應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。有了這個數據，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光伏模塊。此外，您還需要確定系統電壓，這可以通過決定串聯的模塊數量來控制。

您可能已經猜到我們要解決的幾個問題了。首先，在沒有太陽光照射時我們應該怎么做？當然，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。我們需要能量存儲裝置——電池。遺憾的是，電池為光伏系統增加了很多成本和維護工作。但是在目前，電池還是一個必需品，因為只有這樣才能完全擺脫天氣的影響。繞開這個問題的一個方法是，將房子與電網相連，從而可以在需要電的時候買電，而在發電量超過需要時賣電。這樣，電網實際上充當了一個巨大的能量存儲系統。當然，這需要征得電網方面的同意，并且在大多數情況下，它們從您這里買電的價格將比它們售電的價格低得多。您還需要特殊的設備來確保出售給電網的電力與它們的電力同步——即共享相同的正弦波形和頻率。安全性也是一個問題。電網需要確保如果在您的住宅附近出現斷電，您的光伏系統不會向線路工人以為已經沒有電的線路供電。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的，并且在一定年限之后需要更換。光伏模塊應該可以使用20年或者更長的時間，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，光伏系統中的電池可能非常危險，因此您需要為它們提供一個通風良好的非金屬外殼。

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

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

另外，使用電池時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從電池流出，直至對電池進行重新充電。充電控制器的使用對延長電池壽命起到了重要作用。

另一個問題是，由光伏模塊產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，而電網所供應的電（以及您房間中各種家用電器使用的電）是交流電。因此您需要一個換流器，這是一種能將直流電轉換為交流電的設備。大多數大型換流器還允許您自動控制系統的工作方式。有些名為交流模塊的光伏模塊實際上在每個模塊中內置了一個換流器，因而無需使用大型的集中型換流器，并簡化了接線問題。

帶有電池存儲的光伏系統的一般示意圖

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

既然光電是這么好的一種免費能源，那么為何全世界沒有都靠太陽能來發電呢？有些人對太陽能抱有一種錯誤的觀念。盡管太陽光確實是免費的，但光伏系統發的電并不是免費的。從我們對家用光伏系統的討論中您可以看到，這個系統需要很多硬件。目前，一個安裝好的光伏系統的成本約為每峰瓦9美元。為了讓您對家用發電系統的成本有一個概念，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，以展示這項發電技術。這是一幢相當小的住宅，據估計，它的3.6千瓦光伏系統將滿足總電力需求的一半（該系統沒有使用電池，而是與電網相連）。盡管如此，以每瓦特9美元的價格來計算，安裝這個系統將花費您大約32,000美元。

光伏系統之所以通常用于遠離傳統電源的偏遠地區，原因就在于此。現在，它確實無法與電網競爭。不過，隨著研究工作的深入，太陽能發電的成本將會下降。研究人員相信，總有一天，市區的光伏系統的成本效益會同偏遠地區一樣。部分問題在于，必須大規模生產才能盡可能地降低產品成本。而只有產品價格降到有競爭力的水平，才會產生對光伏系統的需求。這就陷入了進退兩難的境地。即便如此，需求量和模塊效率還是在不斷地提高，產品價格也在不斷地下降，全世界也越來越關注傳統電源所帶來的環境問題，所有這些都為光電技術帶來了光明的前景。