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。