家用离网光伏直流供电系统的组建

发表于 更新于 分类于

上半年我整体处于昏昏沉沉的状态；没心情投入正事，于是鼓捣起来弱电和离网光伏。到九月末，方案总算是基本冻结了，在这里做个总结。

这套方案由光伏板、光伏最大功率跟踪（MPPT）电源模块、储能电池、配电箱、导线、直流降压模块等组成，下面会一一介绍。最终方案的总成本 2,000 元左右。

（昏昏沉沉的原因似乎是用药稍为过量：七月激素凝胶见底，我削减了约四成用量，突然意识清醒了许多……）
（好烦，仿佛每天有无数的事务等着我处置，文章断断续续写了近三个月之久。）

一、光伏板和 MPPT 模块

光伏板是整套系统唯一的电力来源，其功率直接决定天黑前能否发出足够多的电能，充满电池；还需要具备一定的弱光（阴雨天）发电能力，至少满足。这里选用了隆基 Hi-Mo X10 三防组件；标称 650 W，实测在大暑节气的正午烈日照耀下，可输出 550 W 以上；阴雨天下可发电 60～100 W 左右。

MPPT 模块方面，选购了屹能洁（Elejoy®）800W 升压模块。它工作起来倒也高效，光伏端电压拉到 37～38V，稍高于 DIY 模块，功率也高出 10～20W 左右；但它不会打逆风局（光伏电压≥电池时不会输出），所以一旦电池放完（48V 以下），在我醒来之前是恢复不了的。
——于是在一旁并联一台基于开源设计的转换模块；该设计打得了逆风局（使欠压的电池恢复到 50V 以上），但是其他问题实在太多了。尤其是强制限流这点：设置低了浪费阳光，设置高了光伏端电压瞬时跌落、同样浪费宝贵的阳光。
——不行，还是有些麻烦。我决定将 10%（3.0 Ah）作为可接受的电位下限：只要确保天亮前主线电压高于 50V，便无需更换模块。

早前的选型

  • 光伏板：本意是采购双玻组件，这样背面能吸收更多的光、发更多的电；但店家说没货了。备选项有隆基 225W 小型组件三块——搬运方便得多。
  • 今年一月采购了柔性板子试水；弱光功率极低，且考虑到其无法抵御台风威胁，后来撤下了。
  • MPPT 控制器：曾选用来自 BRdesign 的同步转换模块。此物更令人恼火，它压根儿不支持 MPPT；接上光伏板后，我不得不坐在旁边盯着，生怕它亮红灯（保护模式，不断电就永不恢复）。

二、储能电池

本方案采用了手搓的锂电池组；我的考虑如下：

  1. 电池组的总容量至少达 1.5 度（1500 Wh），支持资料服务器（NAS）、路由器等常开用电器在至少三个阴雨天后仍维持运转。这些用电器总功率接近 50 W，过夜需求至少 500 Wh 左右。
  2. 手搓途径，仅可考虑磷酸铁锂圆柱电池。方形、软包电池存在难以缓解的鼓胀风险（需要夹板和高强度扎带，甚至可能需要定制容器）；三元锂电池存在更大的起火风险，且寿命偏短。
  3. 手搓途径，配件来源更加透明；也允许以手工焊接的形式组装（在电池两极已预先转镍片的前提下），免去点焊机的开销。
  4. 为简化组装操作和维护复杂度，宜采用“十六串、一并”阵列；故在成本可控的前提下，电池单体越大越好。
  5. 必须配备主动均衡型保护板。
  6. 接入高精度库仑计，以便观察实时功率和剩余容量。
  7. 电压平台：48 V。

最终的选型是：

  • 电池：亿纬 C46p（46140 圆柱型，磷酸铁锂，3.2V/28Ah），总计十六支，已委托商家分容、转镍
  • 保护板：极空® BD6A20S-6P
  • 连接方式：电极间 12 AWG 软导线两并，锡焊；总线 10 AWG 转 XT90 接口
  • 库仑计：上海佰微电子（Baiway®） TF03KH-A

然后跟着抖音视频制作：

捆好的电池
组装好的电池组

相比于同等成品方案（不含库仑计），手搓节省了约 200 元，权当人工费了。

保护板设置也有讲究：磷酸铁锂电池存在“平台期”——约九成电量在 3.2V ± 0.15V 左右释放，电压变化不明显——这一特性，“平台期”不适用均衡，而欠压（＜3.0V）和满电（＞3.35V）状态适合均衡介入。于是：

  • 工作电压（SOC 0～100%）：2.8～3.5V
  • 欠压/过压保护门槛：2.7/3.55V
  • 保护解除阈值：2.9、3.45V
  • 均衡启动门槛：3.35V

电池发来时没有配容，后面发现压差较大，早早地触发欠压保护；所以在部署前不得不先充电至过压，静待其均衡完成。均衡过程用了足足两天。

早前的选型

  • 成品电池组：品牌有星恒、铁塔、深远大等。已知星恒采用三元电芯，排除。二手电池风险较大。采购了深远大，用于电动车。“驴侠”牌也有采购，经库仑计检验存在虚标，现留作备用。
  • 然后因为“驴侠”续航不足，我琢磨着在电池即将耗尽时切换到市电去；但是，为此准备的继电器、驱动继电器的隔离电源以及用于过渡缓冲的超大电容没有按预期工作；我也不可能让备用电源一直插着市电，浪费电力。后面想通了，还是应当加大电池容量，至少从能度过一晚变成度过三晚。
  • 备选电芯：品牌有亿纬 C40、C33，佳仕凯，中钠，中航 26Ah，鹏辉，小鲁。C40、C33 容量偏小；佳仕凯、中钠存在一致性不足、过早衰减或漏液等问题。小鲁的长期可靠性和亿纬相当，优良。
  • 备选保护板：品牌有嘉佰达，达锂，金粉蚂蚁等。已知嘉佰达采用被动均衡。
  • 库仑计：原为宁波培正电子（Peacefair®）产品，因精度不足而弃置。已知极空保护板内置库仑计误差较大，达 5% 以上。

三、配电箱和导线

  • 光伏板至配电箱的回路，采用 4 mm2 导线。
  • 除上述和配电箱内部跳线以外，其他回路采用带护套的两芯 1.5 mm2 铜导线。今年铜价大涨，想找到 400 元以内的大牌整卷不太容易。
  • 电池总线采用 25A 空气开关。
  • 输出端 并联四颗 SR5100 二极管 接一颗 60A 二极管，避免反流或瞬时大电流冲击。然后分出三路，分别通向资料服务器、工作台和客厅，额定电流分别是 10A、16A 和 10A。

组装好的电池组

四、终端必备：直流降压模块

我手上的终端设备无一接受 30V 以上输入，必须降压转换。原先我采用了逆变器，但后面发现逆变器本身和两次电压转换的开销至少有 30W；出于节能考虑，我转而采用纯直流供电的办法，于是采购了十多部降压模块（详情见附录）。分配情况是：

  • ZK-SJ30 同步整流模块
    • 80V 以内万能的转换器，还支持 MPPT（虽然不那么智能）。现用于 48V 平台的电动车充电。
  • 智翔电子 ZC925 充电模块
    • 给各类 USB 终端供电。
  • SynQor® 隔离降压模块（SQ60120EPB25）
    • 用两只串联的方式获得 24V 电源，卡进插座底盒里。缺乏电压补偿，100 W 以上需要稳压的场景便不适用了。
  • 华为® 隔离降压模块（GDQ33S12B），以及小作坊制作的 ATX 电源模块
    • 用于给资料服务器供电。
  • Pico-box® 直流—ATX 转换模块（X9-ATX-500）
    • 给主力台式机供电。老贵了，把国人当老外整，但是靠谱，从 16V 到 60V 来者不拒。
  • 24V/5A、12V/2A 非隔离降压模块
    • 用于路由器、风扇、灯带等小功率电器。
  • 5V 非隔离降压模块
    • 供给寝室里的小夜灯。
  • 恒压恒流 400W 降压模块（SZ-BK6012）
    • 用于电压需求无法匹配其他既有模块的场合。
    • 曾用于驱动 ATX 电源模块，结果不能点亮，有一颗钽电容当场迸裂；后不再用于精密电子设备。
  • 恒压恒流 1500W 升压模块
    • 用于九号电动车充电。 ——整车电池容量推算有 3 KWh 左右，有一天发现它将整个手搓电池组、连同一个下午的光伏发电量吃干抹净了。

当然，如果入夜时电池充满，预期第二日大晴天的话，用一会儿逆变器问题不大。

五、资料服务器升级

考虑到既有惠普台式机适配直流供电存在一定困难（成品是做出来了，很难看），我顺道将资料服务器（NAS）由此迁移到普通的 ATX 平台上。

手上空余的 ATX 平台都不能复用 DDR4 内存，还是攒一套“充新”的罢：

  • 复用一只 mATX 机箱，正好有两个 3.5 寸硬盘槽位；再复用 12 年不曾通电的 SATA 模组线，剪断电源侧接口。
  • 闲鱼上购置 ATX 电源模块，然后把模组线焊接上去。
  • 主板是 2018～2019 年的经典：微星 Z370M-S01，由卖家魔改以适配 Xeon E-2124G 处理器。
  • 手上还有两三只散热器可用，随便用个 12 年前的英特尔盒装散热器好了。

最后接上降压模块。闲时功耗在 25～28 W 之间波动。接上路由器和光猫，现在耗电 40 W 左右。

六、其他事务

  1. 给工具间和大门外布置了照明。
  2. 能量管理：几乎每天都纳入考虑的事项之一。整个电网除去 7/24 持续消耗的部分（40 W × 24h = 960 Wh），一天内有 1 KWh 左右的富余电量，以电动车随用随充、备用电池等方式尽可能消纳；阴雨天气没有富余，看库仑计成了家常便饭，其他回路基本不会开启，视情况接入备用电池。

七、未来展望

光伏板支架问题

目前板子以几乎平行于地面的方式放置着，这会带来两个问题：

  1. 雨水会滞留在板面上，蒸发后留下水渍，可能影响吸收率；
  2. 几乎只有在夏至前后，发电功率方可达峰。 当太阳直射线南移，偏转角加大以后，功率会逐渐下降。

所以要给板子安排斜撑支架。七月买了套铸铁支架，不过此物显然要在水泥地上打洞固定，没有下文了；准备在旧货市场淘来不锈钢电焊货架，其宽度应为 1.05 ± 0.05 m，高度不小于 1.5 m，横置后打几个孔洞跟那套铸铁支架结合，这样可以在任意位置安放板子。

线路损耗和电压平台问题

老实说，1.5 mm² 细线不大适合 5A 以上过流：十来米的距离，竟有 5V 左右的压降，还能隐隐感到线芯在发热。这就引申出另一个问题：48V 平台真的合适吗？

感觉目前为止困扰我的诸多问题，终究要归结于储能电池上。 尽管当初选择 48V 是因为适配的转换器（以及电容）更多，但没有着眼长期，导致现在处处别扭，本就不多的精力日复一日耗费在这上面。也许 60V 才是正确的，最高 70V：就算转换器选择受限，至少还算廉价，能量管理也更从容些。不过当下没有把电池组拆了重做的打算，唯有修修补补，凑合着用了。

——或许，我从一开始就不应该购置打开了潘多拉魔盒的那两块柔性板？为何把自己搞得心力交瘁呢？😣

附录：材料清单

本轮购置的元件和材料种类特别繁杂，以至于文字形式的《电子元件清单》完全无法继续维护，日后将转为用电子表格登记，《清单》将同步下线。

成品模块或大件

  • 普通光伏板（隆基 Hi-mo X10，44V/650W）
  • 逆变器（万兴电子 220V/1200W）——按需部署
  • 基于开源设计的同步升降压电源模块套件，含最大功率跟踪功能（MPPT）
    • 套件里含 60A 快恢复二极管（S2FD60B20-C），挪用至他处
  • MPPT 同步升降压电源模块 ZK-SJ30
  • 屹能洁（Elejoy®）MPPT 升压控制器，型号 EMU800W
  • SynQor® 隔离电源模块三个，型号 SQ60120EPB25-NRS，空载输出 12.2V，额定电流 25A
  • 华为隔离电源模块两个，型号 GDQ33S12B
  • 降压可调电源，型号 SZ-BK6012，输出 2～45V/2～15A/400W max.
  • 隔离电源模块三个，型号 XC7015，输出 12V/0.6A
  • ATX 电源模块两组，来自两家闲鱼店铺
  • 广东汇智® 隔离电源模块两个（直流 40～110V→12V/5W）
  • 24V/5A、12V/2A 非隔离降压模块各二
  • 5V 非隔离降压模块
  • 智翔电子（YZXstudio）USB 充电模块 ZC925
  • 额定 24V 的 COB 灯条五米
  • 60*15 mm 风扇三把
  • 宽压直流 LED 灯泡计五只，其中带感应功能的两只
  • 直流捕虫灯，带光伏板——单独连接了，没有并网，这里不再讨论
  • 直流断路开关：10A、16A、32A 各两个，25A 一个
  • 漏电保护器
  • 交流接触器
  • 接线端子

资料服务器（NAS）升级用件

  • 主板（微星 Z370M-S01，委托卖家魔改）
  • 处理器（Xeon E-2124G）
  • 迷你 ATX 电源模块
    • 以上三样开销 350 元，下面是现成组件。
  • 十二年前的英特尔原装散热器，以及航嘉电源 SATA 模组线
  • 六年前购置，如今闲置的机箱（先马®“米立方”）

储能电池组材料

  • 磷酸铁锂电池（亿纬 C46p，3.2V/28Ah）共十六支
  • 锂电池保护板（极空®）
  • 电池专用支架一对
  • 不锈钢螺丝及螺母四套
  • 玻纤单面胶带、玻纤双面胶带、青稞纸单面胶带、发泡胶带各一卷
  • 不锈钢电池箱

耗材

  • 散装铝电解电容，总重 1 kg
  • 散装铝固态电容，总重 450 g
  • Chemi-con 100V/4700 µF 电解电容计六支
  • 散装贴片电容，总重 105 g——实际未使用
  • N 沟道场效应管：IRFB4110PBF、HY3810NA2W 各十只
  • 12V/1W 隔离电源模块
  • 二极管：SR110 若干，SR5100 若干
  • Amass® XT90、XT60、XT30 接口，护套，带 XT60 的成品跳线若干
  • 一整卷两芯 1.5 mm2 带护套铜线
  • 6.0、3.4、2.5、2.0、1.5、0.75、0.5 mm2 电线若干
  • 超五类网线若干——用于送电
  • 焊锡膏、助焊膏各一支
  • 线槽、螺口灯座、开关、底盒若干
  • 强力双面胶一卷
  • 高温硅胶线（12、18、22 AWG 各二十米）

新采购的设备

  • 数字电桥（许老师 XJW01 小林版）
  • 928 式烙铁头若干
  • 耐压测试仪
  • USB-C 便携式电烙铁（谊华® 928D IV）

在试验中损毁或弃用的部件

  • 电动车用锂电池模组（48V/12Ah） ——容量过小
  • 来自 BRdesign 的同步升降压电源模块兼 MPPT ——烧毁
  • 压缩机电容两只：100V/150mF ——因路线错误而弃用，炸了一只
  • 柔性光伏板（标称 18V/170W）共两块 ——考虑台风影响，不适合长期部署，故撤下
  • 金升阳（Mornson®）交流开关电源（LMF500-23B24UH，额定 24V/18.8A）——配套 PD 充电模块按需使用