離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)設(shè)計中的電源電子解決方案分析

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)用的實際解決方案。美國國家可再生能源實驗室(NREL)在2010年計算的太陽能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價正向每千瓦時15.50美元發(fā)展。這是整個系統(tǒng)的定價，包括太陽能電池、能量存儲設(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目實施的主要障礙，而不斷降低的價格正逐步打破這樣的屏障，使項目的實施變得切實可行。

本文將著重介紹電源電子系統(tǒng)，以及在設(shè)計離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)時需要牢記的一些關(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，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)志或簡單的危險報警閃光燈?？紤]到其便攜性，將每個負(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，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，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類型和隨時間表現(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)的實現(xiàn)方案。例如，施工危險報警閃光器通常是恒定脈動負(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，然后在夜晚運行這些負(fù)載。信息標(biāo)志可能是脈動負(fù)載，但在白天和夜晚都需要運行。在這種情況下，系統(tǒng)需要確定為在白天支持恒定負(fù)載運行，同時對電池組充電以支持整晚連續(xù)運行。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，因為下雨時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，指定能量存儲要求就變得簡單直接了。

確定能量存儲的規(guī)模

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

圖3：工作狀態(tài)

負(fù)載可能有明確的量，如若干個施工危險報警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應(yīng)用。處理變化的負(fù)載時，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間驅(qū)動負(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載運行)。

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

還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無太陽光時，電池組尚未完全充電。考慮的重點是故障成本(即不閃光或不抽吸)。如果泵不抽吸，成本可能非?？捎^。最顯而易見的解決辦法是增加能量存儲組件的容量。但是，總會有更壞的情況。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。