独立离网系统的优势和应用

离网型系统是为那些意图或者必须通过太阳能（或者是太阳能和风能或其他可再生能源的组合）提供全部需求的个人或企业而设计的。如图5-4a所示，离网型系统与有后备蓄电池的并网型系统很相像，但也有一些值得注意的差异。当然，肯定是没有联网。在图5-4a中可以看到，从住宅或者公司到电网没有输电线路。这种系统都是“独立”的。

如图5-4所描述的，在离网型系统中，电能的主要来源是PV阵列。电能从PV阵列流出，流向充电控制器。充电控制器监测蓄电池电压，并把直流电送到蓄电池组。当住宅或办公室需要用电时，就通过逆变器从蓄电池组中抽取。逆变器把来自蓄电池组的直流电（在标准系统中通常为24V或48V）转换成家用和商用所需的较高电压的交流电（120V或者240V）。然后，交流电通过主接线板流到家里工作着的电路。

离网型系统经常需要一点“帮助”，来自于风力发电机、微型水利发电机以及汽油或者柴油发电机，这通常叫做机组。一个或多个这种能源有利于弥补供电差额。

虽然在离网型可再生能源系统中普遍使用后备发电机，但是一些专家认为，像Mick Sagrillo，恰当匹配的PV/风混合系统则很少（如果还有需要的时候）需要它们。实际上，他已经用风力发电机改进了很多PV系统来避免使用后备发电机。尽管混合系统工作良好，但是大多数离网型系统仍然包含了发电机。采用搭配适当的太阳能和风力资源，可以避免使用机组。国家可再生能源实验室的风能专家Jim Green说道，“机组也可以提供冗余。如果混合系统中的某个关键元件临时发生了故障，机组能够在维修期间对其进行弥补。”最后，机组也在蓄电池维护方面扮演着关键角色，这是第7章讨论的一个问题。

图5-4 离网型系统

a）全景图 b）系统接线和系统元件图

有机组的离网型系统也需要蓄电池充电器。它们把发电机发出的交流电转化成直流电，然后馈入蓄电池组。过去，蓄电池充电器是分立的部件，但是现在，它被内置在逆变器中并自动运行。当发电机起动时，逆变器检测到输入端的电压，并通过一个内部自动的转换开关把家用负荷转到发电机上来，同时开始通过发电机为蓄电池充电。

与有后备蓄电池的并网型系统类似，离网型系统也需要安全隔离开关（为了实现安全的服务）。直流隔离开关配有额定值恰当的熔丝或开关，它们安装在PV阵列和充电控制器之间、充电控制器和蓄电池组之间以及蓄电池和逆变器之间。

这种系统需要充电控制器来保护蓄电池免受过充的影响，也需要低压分断器（LVD）来避免蓄电池组被深度放电。直流负荷的LVD往往在充电控制器内部，而交流负荷的LVD被装在逆变器内部。现代充电控制器也包含最大功率点跟踪电路，之前曾提到过。

充电控制器不仅防止蓄电池过充，还防止蓄电池在夜间向阵列输入反向电流。虽然反向电流通常很小，但是最好是能够避免。这对现在的充电控制器来说已经不是个问题。

通过对比三种系统的原理图可以明显看出，离网型PV系统是最复杂的。而且，一些系统被部分地连接起来，用于直流。就是说，它们包含从蓄电池组直接取电的直流电路。直流电路用于照明或直流家电，如冰箱或直流深井泵或蓄水池泵（关于直流电路和直流家电的讨论，请参见下文中“直流电路处于本应是交流的世界？”）。

为了简化基于蓄电池的系统的安装，许多安装人员推荐使用电力中心，如图5-6所示。电力中心包含可再生能源系统的许多必备的元件，包括逆变器、充电控制器和配有熔丝的安全隔离开关（线都已预先接好了）。这就使得电气人员的工作简单多了。电力中心也提供母线（连接点），连接那些去往蓄电池组、逆变器和PV阵列的线。

直流电路处于本应是交流的世界？

大多数现代住宅和办公场所都以交流电运转。然而，由风能或太阳能（或两者的组合）供电的离网型住宅能通过布线，使之部分或全部以直流电运行，为直流电灯、冰箱甚至吊扇供电。为什么要把住宅或者村舍的电线布成直流形式呢？

一个原因是直流系统不需要逆变器。电能从蓄电池组中直接流到工作负荷，于是能降低系统的造价，因为住宅规模的逆变器要花费1000～4000美元。不过，省却逆变器剩下来的钱会被其他高出来的造价抵消掉。例如，直流家电通常比交流家电要贵得多。比如直流吊扇的价钱是类似交流型号的四倍，直流的型号可能要200～250美元一台，而类似的交流吊扇却只需40～50美元。

直流家电和电子设备不仅更贵，而且比较难买到，您在全国或者地区家电和电子设备零售商那里找不到它们。

许多直流电器也很小。比如，大多数直流冰箱比家用的交流型号要小一号。这是因为直流家电主要面向的是船及休闲车发烧友们，在船上或休闲车上没有太多地方来放置大型电器。

由于这样的和那样的一些原因，只有直流的系统很少。通常，这种系统只安装在远郊的小屋和只有偶尔才用一用的农舍中。(www.xing528.com)

不使用逆变器的另一个原因是效率。您将在第8章中看到，大多数用于离网型系统的逆变器的效率约为90%～95%。也就是说，它们在把直流转换成交流以及升压的时候，要消耗一些能量——5%～10%。用直流电路旁路掉逆变器，直接给水泵或冰箱供电，就会减少这种损失。长期来看，旁路掉逆变器能节约很多电。

虽然直流电路看起来像是一个好主意，但是《家庭电力》的Ian Woofenden却说在考虑这种方法时要持谨慎态度。他说水泵通常不需要很多电，当然，除非您在给草地或大花园浇水或者给牲畜喂水。从总体上来看，吊扇也并不明显。不过Ian说，要为直流冰箱或直流照明设备找到充分的理由是比较容易的，因为它们在家电负荷中占的比重更为实在。

尽管现代的冰箱比前几代的能效高得多，但是它们仍是现代家庭中耗电的主要角色。制冷往往占用一个家庭每天用电需求的10%～25%。由于冰箱用电量如此之大，所以长期运行的话，直流产品能够节约大量的能源（见图5-5）。Sun Frost或者Sun Danzer公司提供此类产品。想安装离网型系统的人，就像Dan的一位客户，他在墨西哥的图卢姆经营着一家旅馆，这时会考虑直流冰箱和直流冷柜，比如Sun Danzer公司的卧式冰柜。

虽然效率高，但是直流冰箱和冰柜不具有很多美国人所期望的一些功能，比如自动除霜。它们也比标准的甚至高效交流产品贵得多。由于以上原因，我们很少推荐在离网型系统中纳入直流电路。它们只适合某种类型的可再生能源用户（想从小型系统中尽可能地获取每一个千瓦时的人）。

还有其他一些原因让我们三思，是否要在本应是交流的住宅里铺设直流电路。其一，低压直流电路的导线必须与较大号的标准线连到一起。《家庭电力》杂志的创始人Richard Perez说，电气连接应该焊接，而这会增加成本。直流电路也需要特殊的插头和插座，这些比相应的交流配件贵得多。

Perez还说，直流电器通常不像相应的交流电器那样可靠或结实。他说，它们被设计成主要用于间歇性使用的休闲车。于是，直流电器消耗得比较快，从而需要更频繁的更换。

您会发现一个恰当的例子，一台直流搅拌机的价钱大约是交流型号的两倍。Perez开玩笑说，这种搅拌机只有两种速度——起动和停止。而且，只能通过邮件或者互联网从专业工厂订货。他和他太太买的那台直流搅拌机在用了不到八个月之后就坏掉了。如果这还不足以劝阻您使用直流电器，Perez又指出，许多电器就没有相应的直流型号。

Perez支持交流装机，他说，“使用交流电器的主要优势是标准化。配线是标准的——便宜的传统式住宅配线。电器是标准的，具有各种各样的功能。”而且，“这些电器是为日常使用设计的，大都可靠结实。”

图5-5 Sun Frost冰箱。特别高效，但很贵，这种冰箱是多年来冰箱中的老大。现在，由于新法律和政府主导的电器制造商的竞争，能以低得多的价钱买到许多新型的特高效冰箱。

最后，Perez说道，虽然“在离网型系统中使用交流电器的主要缺点是逆变器的造价和逆变效率低导致的能耗”，但现代逆变器所具有的平均运行效率与低压直流配线中的能耗差不多，尤其是在直流配线中的导线走得很长或者没有正确终止的情况下。换句话说，在最后的分析中，直流通过旁路掉逆变器的方式其实根本没有节省任何电能。

如果您正考虑在住宅或公司安装一套离网型系统，您最好的选择就是交流系统。即使这样，您可能还会想装设一些直流电路。Dan的离网型住宅用太阳能和风能供电，几乎全部采用交流电。不过，他在给房子布线的时候，有一支直流电路给直流泵供电，用来把水从他的储水池泵到家里。虽然他还布了一条直流线路来给三台直流吊扇供电，但实际上他买了交流风扇并采用交流电，因为这样花费更少（如果他重来一次的话，他会安装一台直流冰箱）。

你可能会想在杂物间或者逆变器所在的地方装设直流电路，无所谓是哪儿，只是在紧急情况时给直流节能灯泡供电。如果系统在夜间发生故障，您想要找出原因，就需要一些照明。那么，手头还是一定要有多余的直流灯泡。

图5-6 电力中心。如图所示的电力中心包含PV系统的所有关键元件，包括一个以上的逆变器、充电控制器、熔丝以及隔离开关。

虽然与分开购买所有的元件相比，电力中心花的钱还要多一点，但是安装起来却更容易也更便宜。而且，如果您雇用了一位专业人员来安装系统，也会节省人力费用。

虽然一些电气巡检员对可再生能源系统懂得很多，但是很多人在这个领域没有太多经验。当某位不怎么有经验的巡检员出现在一个工作地点，看到的可再生能源系统装配了由Underwriter’s实验室（UL）认证的电力中心，他或她就可以肯定所有关键元件都已经考虑到了，也都在这儿了。巡检和认证就是小菜一碟儿了。