引言
随着我国经济的高速成长，能源短缺成为影响深远的重要制约因素。据统计，我国30个省已有26个不得不在某些时段采取拉闸限电的措施，严重影响正常工农业生产与人民生活；我国的石油进口量急剧上升，油价居高不下；我国煤炭生产接近极限，大量燃煤带来的环境污染后果日益严重。这些事实说明我国经济的粗放发展模式已到尽头，迫切需要转变发展思路，采取“开源节流”的有力措施，实现真正的可持续发展。
2005年以来，国家大力推动太阳能、风能等可再生能源的应用，预计2006年1月1日中国的《可再生能源法》正式生效，从法律上采取强力手段鼓励绿色能源开发。随着科技进步，太阳能逐步从航天“贵族”能源走向平民化，太阳能电池板价格大幅下降，光电转换效率稳步提高，太阳能应用系统的实用价值已勿庸置疑。可以预见，太阳能利用高速发展的时代就要到来，如何实现太阳能与建筑的完美结合，如何进行太阳能应用系统的设计，已成为目前研究的当务之急。
1 系统结构 1．1 基本理念
太阳能应用系统分为光热转换系统与光电转换系统两种，通常意义上的应用系统就是指光电转换系统。光电转换系统是高科技的绿色电源，也是永不枯竭的再生能源，其原理为利用太阳能电池白天将光转化为电，存储在蓄电池中，再根据需要供给各直流负载使用，或再转变为交流电并网使用。 太阳能电池的发电效率取决与阳光直射的角度与强度，一般中、下午阳光最强烈时段达到最高，产生电能也最多，此时恰好是白天用电高峰，太阳能电力并网可成为电力缺口有益的补充。如电力尚富余，这些电力可以储存在蓄电池组中，根据需要供应负载使用。太阳能电力的灵活性是很有用的优点，提高了经济性。
实用的太阳能应用系统高度依赖高效、节能的电器设备，希望尽可能降低线路总功率，尽可能减少无功功耗与线路损耗，这样可以减少太阳能电池板的安装功率，降低购置成本，节约覆盖面积。
1．2 基本构成
一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、恒流源和蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍： 1.太阳电池板
太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。
2.充电控制器
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在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。充电控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用直流负载，通过充电控制器还能为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。 3.恒流源与转换器
恒流源的作用是稳定太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电压，避免输出电压的上下波动，确保直流负载的使用安全。转换器的作用是将直流电转换为交流市电，直接并网使用，转换器的效率要确保大于0.90，以尽量避免电力浪费。
4.蓄电池组
蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮能起来, 供负载使用。在光伏发电系统中, 蓄电池处于浮充放电状态, 夏天日照量大, 除了供给负载用电外, 还对蓄电池充电; 在冬天日照量少, 这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电,晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此, 要求蓄电池的自放电要小, 而且充电效率要高, 同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池, 要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。
1．3 结构示意
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2 美学设计 2．1 设计原则
太阳能应用系统体积庞大，且对安装位置有严格要求，要尽可能在南面安装，周边不能有遮挡，所以太阳能电池组非常显眼。在建筑设计中，如此明显的构筑物必须符合建筑的美学构思，服从构图的均衡原则与从属原则，尽量让太阳能与建筑融为一体，共同营造富于技术含量与精确特征的全新建筑形象。
根据欧美厂商的产品与实践，太阳能电池板可以理解为一种新型建筑材料，首先它是一种透明的玻璃，光线可以透过电池板射进屋内。当然它不像一般玻璃那样透明，被削弱的光线形成朦胧的室内环境，深蓝色硅片与细细的金属线如底片般清晰可见，给人一种高科技的震撼。为保证室内天然采光，太阳能电池板一般要与普通玻璃混合使用。其次它是一种贴面材料，可以用类似花岗石的干挂法固定在外墙上，无论是局部使用还是大面积平铺，电池板形成的重复韵律与体块色彩都引人注目，如设计适当极富感染力。再者它可以被设计成精巧的构筑物，具有精确的细部与闪烁的光泽，在建筑上形成视觉中心。
在建筑美学上，一种材料只有在最符合其结构特性的应用中才具有真正的美学价值，必须继续在实践中探索太阳能电池板的技术特征。
2．2 设计分析
为说明太阳能应用系统与建筑的结合，这里引用一个外观设计方案。
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设计前照片
设计后照片
对比建筑改造前后照片，可以总结以下要点：
1） 原则上电池板安装在南面，安装角度可由水平至垂直变化； 2） 普通玻璃与电池板混合使用，材质变化可增加美感； 3） 通常电池板呈深蓝色，硅片的重复韵律很美观；
4） 电池板构架一般是钢结构或玻璃框结构，注意构架与建筑一体化； 5） 电池板面积应根据室内要求控制，避免影响建筑功能。
3 设计实例 3．1 工程概况
该项目是上海某房产公司的太阳能应用工程实例，计划在各住户单元的进户门处安装安保摄像系统用的照明光源，该光源配上合适的灯具后提供的照度应能保证夜间摄像足够清晰，并在整个夜间按长明灯的要求使用。通过分析该项目可说明系统设计的基本流程。
3．2 气象条件分析
按国家日照条件分类，四类地区主要是长江中下游，福建省、浙江省和广东省的一部分地区，包
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括上海。此类地区的特点是全年日照时数达到1400～2200小时，春夏多雨或阴天，秋冬季太阳能资源较丰富，有条件利用太阳能作为照明能源。
3．3太阳能系统构成和设备选择
由于太阳能电池价格较高，系统设计的原则是尽量降低用电负荷，直接使用直流电器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择各部件。
该项目以一栋住宅楼为单位，每栋楼有三个单元，在每单元的进户门处安装一盏照明灯，太阳能照明系统包括一套太阳能电池板组、一套控制器、一套蓄电池组、三套照明灯具及有关的配电线路。
A．电光源选择：根据民用建筑照度标准，该项目可参照公共场所电梯前室的低值标准设计，即照度E=20lx，显色指数大于65。应选择户外用反射型防潮灯具，折减系数a=70%，遮光角为25~45度。灯具安装高度h=2.2m。
该项目使用点光源，按半球面面积计算光通量的平均分布值E
E=W*a∕2πh2 W—光通量（lm）
计算所需的W = 20×2×3.14×2.22∕0.7 = 868 lm
目前太阳能照明灯常用的点光源为18W以下高效节能灯，常用的线光源为21W以下T5荧光灯，使用电子镇流器。因此根据电光源光效数据，可选择15W标称功率的高效节能灯，与通常设计的住宅入口门灯相近。
设计中按3×15W=45 W的实际输出功率，每日使用12个小时计算，每日消耗的功率为
45W×12h=540Wh
B．太阳能电池板功率：太阳能电池板的输出功率可通过下式计算
每日消耗的功率∕（每日有效日照时间×实际使用功率）
考虑上海地区的气候特点，太阳能电池在上午9时至下午3时的阳光下具有高效率，每日有效日照时间按6小时计算。考虑到太阳高度角的变化，电池板无法随太阳高度角的变化而调节方向，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的实际使用功率按60％计。本例中太阳能电池板的输出功率
540Wh∕（6h×60%）=150W
可选150W电池板，采用标准块板，每块输出功率25W，共六块。 C．蓄电池容量：蓄电池组的容量可通过下式计算
每日消耗的功率∕（蓄电池的工作电压×日放电周期深度）
对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的50%。若采用12V的蓄电池，其放电深度按50%计算，所需蓄电池组的容量
540Wh∕（12V×50%）=90Ah
考虑连续阴雨天的情况，蓄电池组的容量需加上20%的裕量，再加上10%的电池自放电系数，计算出蓄电池组的容量为
90Ah×1.3=117Ah
根据产品规格，可采用硅胶蓄电池，以6个容量20AH并联形式使用，共120Ah的蓄电池组容量。 采用根据计算选定的太阳能电池板和蓄电池组，再配上专用的充电控制器和逆变器，即可构成1.3节中描述的太阳能发电系统。
3．4 完整的照明配电系统
实际设计时，应充分考虑到阴雨天影响。本系统按正常晴天一天充满蓄电池组的前提设计，如出现连续阴雨天，充电效率将大打折扣。为确保使用效果，本系统增加蓄电池实时检测电路与稳压电源电路，如蓄电池蓄能低于额定容量的50%，将自动切换至市电电源供电。从电源到负载的照明配电系
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统如下图
图中常用电源从太阳能发电系统的逆变器输出端引来，备用电源从市电线路引来，经过双电源自动转换开关后分别向三个单元的入口照明灯供电。当蓄电池组不能满足工作条件时，双电源自动转换开关投向备用电源侧保持继续供电；当蓄电池组工作条件恢复后，双电源自动转换开关投向常用电源侧由太阳能发电系统供电。
蓄电池工作时输出变化电压可根据经验图确定。
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实际使用中，太阳能电池板结合屋面设计安放在屋顶迎光面，充电控制器、电池组和逆变器放置在屋顶的设备机房内，尽量靠近太阳能电池板以减小线路压降和损耗。相应的照明控制箱也放置在同一设备机房内。可以在两路电源的进线侧增设计量电表供分析运行情况，有条件时还可将双电源自动转换开关和太阳能发电系统的工作状态信号传输到物业管理部门，以方便对设备的监控。
系统安装成本以一栋住宅楼为单位，包括太阳能电池、蓄电池、控制器、稳压电源、灯具及布线，再加上系统安装费用。
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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 合计
项目
150W太阳能电池组 60Ah蓄电池 控制器 稳压电源 灯具 布线 支架 安装费
金额(元) 备注 15000 单晶硅太阳能电池 3000 硅胶蓄电池 3000 1500 12V 50W 1500 防潮灯具，吸顶式 8000 PVC管暗装，
BV2.5mm 电线
1000 不锈钢制 3000 根据上海定额估计
36000
4 结束语
本文给出了一种太阳能发电系统的基本结构，并例举了一个由太阳能发电系统做常用电源、市电做备用电源的简单照明系统，介绍了从负荷统计到太阳能系统中电池板和蓄电池容量的计算和选用方法。在实际应用中可根据具体太阳能发电系统的经济投入和节能所带来的经济收益的比较，来确定太阳能发电系统的容量大小和供电的负荷范围，以期最佳的投资性价比。
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