湖南师大附中高1613班 张亦弛
太阳能,是指来自太阳辐射出的光和热被不断发展的一系列技术所利用,如太阳能集热器、太阳能光伏发电、太阳热能发电和人工光合作用。
每天看到冉冉升起的太阳,我就想如何将清洁的太阳能资源应用到家中,日常生活用的照明就可以用到太阳能,白天发电储存,晚上使用。心动不如行动,我来试试看。
一、设计方案
住宅中的电器设备,照明需要的功率较小,目前LED灯广泛应用。一般一个LED灯具的功率是5~10W,屋顶太阳能光伏板的功率是50W~200W。理论上,可以满足10个以上的灯具照明。考虑到湖南地区日照时间受到天气影响,可以选择多个太阳能电池板并联方式,使发电功率翻倍。选择常见的100W电池板,储能采用常见的12V电池组。照明灯具也是常用的12V直流LED灯。这样就将白天太阳能储存在电池组中,晚上使用存储的电量,满足家庭照明需要。
照明灯具按照5W选择,数量10盏灯。采用白色光灯具6500K亮度更加发挥照明优势。同时开启需要的功率是50W,按照每天10小时照明工作计算,需要的电池组供电41.667Ah。考虑到电池自身的内阻和白天不能充分充电。设计选择电池容量为200Ah/12V。在完全没有光照的情况下,可以满足3天以上的照明需要。
光伏板选择是根据储能电池组来决定的,查询到单块光伏板详细参数如下:适合12V电池充电的光伏板,工作电压要高于12V,并联后的电压不变,输出电流倍增;适合200Ah电池组充电的光伏板采用6块并联,提高充电效率。
二、应用原理
光伏组件主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器组成,其核心是太阳能电池板。按照“白天发电储存,晚上用电”的原则,我设计了一个简易的“发电-充电-放电-充电”循环过程。
下图中,控制器是将光伏板输出的直流电源转换为储能电池的充电电源。可以选择购买成品DC-DC转换器。一方面,控制器可以保护储能电池过度充电或者过度放电,另一方面,可以充分利用太阳能资源。
图中,逆变器可以将储能的12V直流电源转换为市电交流220V,供给小型的家用电器使用。直流负载采用12V LED灯具,照明使用。
光伏板安装在自家的楼顶,利用楼顶自身的雨水槽倾斜度,按照朝南方向,占用屋顶面积大约是3.5平方米。
三、测量数据
按照上图中组建好光伏发电应用系统,在不同天气条件下测量充电数据,以及在晚上放电数据。
下表中,选择夏季,晴朗天气条件下,不同时间段的充放电数据
通过这个表格说明,在不同时间段,太阳光照强度,对储能电池进行充电,能够在一个时间周期内充满电量。
下表中,选择冬季,晴朗天气条件下,不同时间段的充放电数据
通过这个表格说明,在冬季,光照时间短的情况下,也能够将储能电池电量充满。
储能电池的放电数据
通过这个表格说明,按照10个灯具照明来设计的直流负载,可以满足一个夜晚的照明需求。
四、实践总结
通过这个科学应用实践活动,我总结了这个小型自储能式太阳能光伏发电系统的优缺点:
优点:1.自储能式可以避免停电的困扰,同时可就近供电,避免了长距离输电造成的电能损耗。能量转换过程简单直接,无中间过程损耗。2.供电系统电压低,一般的是12V电压,用电安全系数高。3.发电本身不使用任何燃料,不排放包括温室气体和其他废弃在内的任何物质,不污染环境,不产生噪音。
缺点:不能连续性工作,只能日间发电。另外,受环境因素影响大,比如长期雨雪天、阴天、雾霾天等都会严重影响系统的发电状态。