光伏太陽能安裝成本的迅速下降使此技術(shù)逐漸成為支持離網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際解決方案。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在2010年計(jì)算的太陽能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價(jià)正向每千瓦時(shí)15.50美元發(fā)展。這是整個(gè)系統(tǒng)的定價(jià)，包括太陽能電池、能量存儲(chǔ)設(shè)備以及充電器和逆變器電源電子裝置。

　　從便攜式公路施工標(biāo)志和閃光指示燈，到偏遠(yuǎn)的泵站和通信網(wǎng)絡(luò)，離網(wǎng)應(yīng)用看起來有無盡的機(jī)遇。成本過高正是此類項(xiàng)目實(shí)施的主要障礙，而不斷降低的價(jià)格正逐步打破這樣的屏障，使項(xiàng)目的實(shí)施變得切實(shí)可行。

　　本文將著重介紹電源電子系統(tǒng)，以及在設(shè)計(jì)離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)時(shí)需要牢記的一些關(guān)鍵機(jī)遇和權(quán)衡利弊。在解決大多數(shù)系統(tǒng)級問題時(shí)，最簡單的方式通常是從最終應(yīng)用要求開始，然后回過頭來確定和定義整個(gè)系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)的規(guī)模。

　　負(fù)載

　　負(fù)載幾乎可以是任何設(shè)備，但離網(wǎng)應(yīng)用之所以離網(wǎng)是有原因的。應(yīng)用可能需要是便攜式的，如施工信息標(biāo)志或簡單的危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈。考慮到其便攜性，將每個(gè)負(fù)載都接入電網(wǎng)明顯不可行。或者，也許應(yīng)用位于偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，如蜂窩通信塔或偏遠(yuǎn)泵站。

　　我們首先應(yīng)該確定在開發(fā)離網(wǎng)太陽能解決方案時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵因素。圖1給出了高階系統(tǒng)框圖。使用能量平衡方法時(shí)，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類型和隨時(shí)間表現(xiàn)出的特性。

　　
　　圖1：高階系統(tǒng)框圖

　　首先要確定負(fù)載類型和所有特殊要求。是恒定負(fù)載還是可變負(fù)載？是僅在白天使用還是僅在夜晚使用？是間斷使用還是持續(xù)使用？了解負(fù)載類型及其特性有助于確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。例如，施工危險(xiǎn)報(bào)警閃光器通常是恒定脈動(dòng)負(fù)載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應(yīng)該在白天對這些負(fù)載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運(yùn)行這些負(fù)載。信息標(biāo)志可能是脈動(dòng)負(fù)載，但在白天和夜晚都需要運(yùn)行。在這種情況下，系統(tǒng)需要確定為在白天支持恒定負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)對電池組充電以支持整晚連續(xù)運(yùn)行。同樣，泵負(fù)載需要日夜工作，而且不一定是恒定負(fù)載。這里，系統(tǒng)需要能應(yīng)對最壞情況，或者需要備用系統(tǒng)來解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網(wǎng)太陽能應(yīng)用，因?yàn)橄掠陼r(shí)沒有多少陽光可對電池充電。很明顯，能采用的負(fù)載類型幾乎無窮無盡，圖2僅列舉了上面討論過的一些負(fù)載類型。

　　
　　圖2：常見負(fù)載類型

　　在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關(guān)鍵是了解平均日負(fù)載。當(dāng)充分了解負(fù)載和工作條件之后，指定能量存儲(chǔ)要求就變得簡單直接了。

　　確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模

　　由于太陽每天都升起和落下，我們可以通過簡單的24小時(shí)能量平衡法來計(jì)算基本的能量存儲(chǔ)要求。注意圖3，圖中標(biāo)識了工作情況。很明顯，確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模時(shí)必須支持圖左側(cè)的情況。

　　
　　圖3：工作狀態(tài)

　　負(fù)載可能有明確的量，如若干個(gè)施工危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應(yīng)用。處理變化的負(fù)載時(shí)，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正常”情況，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲(chǔ)組件應(yīng)該在白天充電，其容量應(yīng)設(shè)定為足以在其余的夜晚時(shí)間驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過百分之95的情況（即，泵在黃昏開始工作，然后整夜?jié)M載運(yùn)行）。

　　下面的公式通過將未進(jìn)行充電的時(shí)間段內(nèi)的每小時(shí)最大負(fù)載功率合并在一起，來捕獲最壞情況的能量存儲(chǔ)要求。

　　 　　還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無太陽光時(shí)，電池組尚未完全充電。考慮的重點(diǎn)是故障成本（即不閃光或不抽吸）。如果泵不抽吸，成本可能非常可觀。最顯而易見的解決辦法是增加能量存儲(chǔ)組件的容量。但是，總會(huì)有更壞的情況。在不容許出現(xiàn)故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個(gè)備用系統(tǒng)（如柴油發(fā)電機(jī)）并將系統(tǒng)其余部分的規(guī)模調(diào)整為僅適用于正常情況是最合理的。

　　圖3的左側(cè)用于確定能量存儲(chǔ)要求，圖3的右側(cè)用于確定太陽能陣列的規(guī)模。

　　確定太陽能陣列的規(guī)模

　　更好地了解負(fù)載要求后，我們可以確定太陽能陣列的規(guī)模。根據(jù)圖3，太陽能陣列的規(guī)模必須設(shè)定為在規(guī)定的充電時(shí)間內(nèi)使充電量滿足能量存儲(chǔ)要求，同時(shí)在該時(shí)間段內(nèi)支持平均負(fù)載輸出。下面的公式標(biāo)識了此高階關(guān)系。

　　太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲(chǔ)容量/充電時(shí)間+平均負(fù)載功率

　　我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲(chǔ)和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進(jìn)行精確的調(diào)整，還需了解一些內(nèi)在和外在因素。從外部因素角度來看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應(yīng)用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預(yù)計(jì)太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應(yīng)用地點(diǎn)相對于太陽的位置就可以預(yù)計(jì)太陽照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素（包括云層覆蓋和環(huán)境溫度）也可能對系統(tǒng)預(yù)計(jì)接收的陽光照射量以及能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。應(yīng)該清楚這些外部因素將隨著應(yīng)用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。

　　此外，系統(tǒng)架構(gòu)（尤其是設(shè)備的連接方式）等內(nèi)部因素也會(huì)影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實(shí)現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲(chǔ)和太陽能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計(jì)算需要產(chǎn)生的功率，需要考慮電源電子裝置。