1、设计原则

太阳能供电系统设计的总原则是：在保证满足负载供电需要的前提下，确定最佳功率的太阳能电池组件和最佳容量的蓄电池组件，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在太阳能供电系统设计过程中做出的每个决策都直接影响成本。本人在学习各专家的设计方法时发现，一些设计仅考虑了蓄电池的自维持时间（即最长连续阴雨天），而没有考虑到亏电后的蓄电池最短恢复时间（即两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数）。这个问题，尤其在我国南方地区应引起高度重视。因为我国南方地区阴雨天既长又多，而对于方便适用的独立太阳能供电电源系统，由于没有应急的其他电源保护备用，所以应该将此问题纳入设计中。

本节综合以往各设计方法的优点，引入两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数作为设计的依据之一，并综合考虑了各种影响太阳能辐射条件的因素，提出了太阳能电池功率、蓄电池容量的计算公式，及相关设计方法。

2、太阳能电池与蓄电池的配置关系

太阳能供电系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池组件配套的蓄电池通常工作在浮充、循环使用的状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池容量的合理选择对保证连续供电是很重要的，而且受环境温度的影响极大。而太阳能电池组件发电量在不同季节也有差别。组件的发电量在不能满足用电需要的月份里，要靠蓄电池的电能给予补足；在超过用电需要的月份，蓄电池将多余的电能储存起来。所以组件发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池获得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的依据之一。

蓄电池的容量BC计算公式为：

A为安全系数，取1.1～1.4之间；

QL为负载日平均耗电量，等于工作电流乘以日工作小时数；

NL为最长连续阴雨天数；

S为太阳能电池阴雨天修正系数，一般单晶硅为0.99，非晶硅为0.90；

TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃到0℃取1.1，－10℃以下取1.2；

CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，胶体铅酸蓄电池取0.90，碱性镍镉蓄电池取0.85。

太阳能电池组件设计

A 太阳能电池组件串联数Ns

太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压。但是，太阳能电池组件的串联数必须适当：串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，组件就不能对蓄电池充电；串联数太多，输出电压远高于浮充电压，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。

计算方法如下：

式中UR为太阳能电池组件输出最小电压；

Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；

Uf为蓄电池浮充电压；

UD为二极管压降，普通二级管一般取0.7V，肖特基二级管为0.2V；

UC为其它因数引起的压降。

电池的浮充电压和所选蓄电池的参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。

B 太阳能电池组件并联数Np

在确定Np之前，我们先确定其相关量的计算方法。

将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht，转换成在标准光强下的平均日辐射时数H：

式中Po为太阳能电池组件的额定功率。

3、厦门地区太阳能供电系统设计实例

太阳辐照量的随机性比较大，所以无法确定安装后方阵面上各个时段确切的太阳辐照量，只能根据气象台历年记录的太阳辐照量历史资料作为参考。但是气象台提供的通常只是水平面上的太阳辐照量，而光伏方阵安装时都是尽量朝向赤道倾斜安装，其一是可以增加方阵面上全年接收到的太阳辐照量，其二是倾斜放置时可以增加冬季方阵面上接收到的太阳辐照量，而减少夏季接收到的太阳辐照量，使系统能全年比较均衡地工作。系统设计时，要将水平面上的辐照量通过计算得到倾斜面上的太阳辐照量。对于月平均太阳辐照量的计算，目前国外通常用Klein和Theilacker的计算方法来算出不同方位和不同倾角的倾斜面上的太阳辐射量。这类计算非常复杂，一般只能通过编制计算程序软件来得到不同方位角和不同倾角时方阵面上的太阳辐照量，再将单位换算到，可得到该方阵面上的平均日照时数。但是柔性便携太阳能电池由于应用场合的特殊性，无法达到传统光伏阵列的理想值，其吸收光能的高能力，大致仅能为光伏阵列的60%-80%。以下计算依据固定式光伏阵列的算法套入。

（1）如表5-1为福建地区不同倾斜面上各月平均太阳辐照量（kWh/m2/d）。

（2）负载日耗电量的确定（模拟户外野营帐篷所用负载）：

总之，由于其中存在着诸多因素的影响，要想达到完全理想的匹配效果却非易事。一个性能较为完善的匹配设计，通常需要对几十个相关参数做出综合考虑和计算，其中安装使用地点的气象条件，不同用户的使用条件和要求等随机变化的因数是教精确计算的最基础的条件。所以，严格地讲，对每一个特定地点、每一个特定类型的太阳能供电系统，设计者就需要根据具体情况进行计算，以求设计结果与实用情况有最大程度的吻合。

4、通用型150W便携电源箱产品

在严谨和理想的太阳能系统设计中，单个项目最好都应单独设计，以确保太阳能电池组件、蓄电池、负载等达到完美的配比。但是，在相当多的场合中，人们更加需要一款标准化、通用的产品。比如游牧民，部队，我们几乎无法针对每一个用户量身定制方案，因此一款标准化、通用的、涵盖面广的产品是很有必要存在于市场中的。

我们选出一款某企业为军工单位配备的150W便携电源箱为例进行分析。该产品是一种太阳能便携式供电电源，它由柔性太阳能电池板、控制单元、逆变单元、开关电源、蓄电池组等功能模块组成，能够提供稳定的交流和直流输出，最大输出功率为100W，具有体积小、重量轻、无噪音、使用简便等特点，在不方便使用市电和油机供电的场合，用该产品为小型用电设备（如电台、卫星通信终端、电脑、对讲机、GPS、手机、应急照明灯等）提供和补充电能。该款电源箱采用100W正弦波逆变器输出，因此，能承受极限为150W的负载。

产品由以下模块构成：

性能参数如下：

额定交流输出：220V±10％，50 Hz±1Hz

额定输出功率：150W

额定直流输出电压：12 V±5％

额定直流输出电流：600mA

交流充电输入电压范围：176VAC～264VAC，47 Hz～63Hz

交流输入、输出端对地（机壳）绝缘电阻：≥50MΩ

耐压：1500V（有效值）1分钟无飞弧，不击穿。

电磁兼容：能有效的抵制来自周围环境和配套设备的电磁干扰，既不影响负载设备正常工作，也不受负载设备干扰。

外形尺寸（宽×高×深）：435×315×186mm

重量：≤20kg

静态电流：≤83mA

工作环境温度：-5℃～+50℃

工作环境湿度：≤90％（非凝结）

储存温度：0℃～+50℃

由结构图可以看出，150W便携供电电源箱，有太阳能、市电充电两种充电方式。通过控制系统将电能存储于蓄电池内，而后，蓄电池可直接提供DC12V输出以供应卫星接收机电能，也可通过150W逆变机逆变为AC220V输出，以满足交流负载（如笔记本、灯泡）使用。

系统负载为笔记本电脑（按80W计）及卫星接收机（30W），设备本身均有配置蓄电池。需要在设备本身电池无电的情况下，尽量保证设备的持续可用性。据此需求计算如下：

1，户外无日光，无法提供电能补充时：

150W便携式供电电源箱本身蓄电池可满足卫星接收机使用10-12小时，可满足卫星接收机+笔记本电脑使用2-3小时。

2，户外有日光，使用单块2SC6-10-15V太阳能电池板时：

150W便携式供电电源箱在工作中若可同时依靠太阳能电池补充电能，则基本可满足卫星接收机不间断使用（阴雨天约15小时），可满足卫星

接收机+笔记本电脑使用3-4.5小时（阴雨天约3-3.5小时）左右。

3，户外有日光，使用两块2SC6-10-15V太阳能电池板集联时：

150W便携式供电电源箱在工作中若可同时依靠太阳能电池补充电能，则完全可满足卫星接收机不间断使用（阴雨天约3天-5天），可满足卫星接收机+笔记本电脑使用一个白天（阴雨天约4-5小时）左右。

4，户外有日光，使用四块2SC6-10-15V太阳能电池板集联时：

150W便携式供电电源箱在工作中若可同时依靠太阳能电池补充电能，则完全可满足卫星接收机不间断使用（不受阴雨天影响），可满足卫星接收机+笔记本电脑白天不间断使用，夜间无光源补充时可继续使用3-4.5小时（阴雨天约一个白天）左右。

5、户外柔性便携式太阳能供电系统的优势分析

目前，在户外应用场合，解决持续供电难题的方式一般为两种：一种是蓄电池，一种是发电机发电，发电机发电主要以柴油机为主。

蓄电池仅能满足中短期的使用需求，并不能作为长期解决方案，因为任何人都不可能携带无数多的蓄电池。比如露营、登山等，可以携带几个后备的蓄电池，提供3-5天的电力补给。但是在科考、探险、勘察，特别是军事行动中，蓄电池的效力便显得十分有限。而且，无论是任何蓄电池，对环境的要求还是存在的，比如高温环境下，蓄电池可能变得十分危险，而在寒带地区，蓄电池的放电深度大大降低，极容易损害蓄电池的寿命。即便是目前稳定性较强的胶体电池，在零下10度时，放电深度也会降低40%。

而发电机发电方式主要以柴油机发电为主，手摇发电等技术太过于落后，实用性很差。柴油机发电是目前野外作业主要的供电方式，特别是在军事领域中，无论是通讯、炊事、作战等，几乎清一色的采用柴油机作为野外作业电源供给。柴油机发电有其优势所在，即使发电功率很高，基本均为10KW级甚至是100KW级，即便是便携式柴油机，也可达到KW级。但是柴油机最大的不足是柴油的补充，与蓄电池相同，在很多场合中，是无法携带如此之多的柴油进行补给的。在军事领域中，由于补给战线的复杂性，特别是补给战线的拉长，柴油的补充往往会遇到特殊困难。我们经常可以在影视作品中看到这样的桥段，深山老林里的部队由于补给跟不上，电台等用电负载每天只能开一小会儿，显然，电池电量耗尽后，无论是何种设备，均成了废铁，部队也成了瞎子、聋子、哑子。另外，柴油发电机存在一个致命的危险，就是热辐射，热辐射很容易被红外侦测，无疑是将自己部队的位置暴露与敌人知道，这是非常可怕的。

而柔性太阳能电池，则不存在上述问题，使用时展开充电，撤离时包扎成布包状携带离开，占用空间小，使用灵活。柔性太阳能电池不存在耗材补给的问题，只要在白天有太阳时，对设备进行充电即可，即使是阴雨天气，由于非晶硅的弱光性好，也能获得平时的30%电量。柔性太阳能电池并不采用易碎的玻璃封装，采用的是高分子聚合物，坚韧不损坏，脚踩、车压对其都没有影响，甚至被子弹击穿，还能继续工作。其表面的高分子聚合物还有另一个好处，就是完全亚光不反光，表面设计成“坑点”状，还能更好的吸收漫射的阳光，同时，高空侦测也拿之没有办法。现代社会中，比如美国的“陆地勇士”特战队便配备了单兵太阳能系统，就是采用的柔性非晶硅太阳能电池，用于步话机等通信仪器的通讯。因此，在野外作业的领域中，特别是军事领域中，柔性太阳能电池拥有着无可比拟的优势。

文|倪斌 厦门大学物理与机电工程学院（厦门汉青信息技术有限公司）

王亚军 副教授 厦门大学物理与机电工程学院

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