獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池的選擇

1 引言

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗持續(xù)增加，環(huán)境問題日益突出，開發(fā)、利用太陽能作為新能源成為大勢所趨。太陽能發(fā)電無需燃料，具有無污染、安全、無噪聲、運(yùn)行簡單可靠、資源的相對(duì)廣泛性和充足性、長壽命等其他常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。光伏能源被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新能源、可再生的綠色能源。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，依據(jù)應(yīng)用的形式不同一般可分為兩大類：獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。其中獨(dú)立光伏系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)廣泛，日常生活中可見太陽能手電筒、太陽能路燈、太陽能充電器等均屬于此類系統(tǒng)。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)一般由四個(gè)基礎(chǔ)部分組成：光伏電池陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)（蓄電池）、直流控制系統(tǒng)、負(fù)載，如圖1所示。

圖1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)組成

在獨(dú)立的光伏系統(tǒng)中，蓄電池的作用主要是儲(chǔ)存能量，在晚上或多云等氣候情況下，光伏陣列不能提供足夠的能量時(shí)，蓄電池供給負(fù)載，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它是僅次于太陽能光伏陣列的重要組成部分，也是對(duì)系統(tǒng)性能可靠性、系統(tǒng)成本影響最大的部分之一。本文探討如何在保證系統(tǒng)正常工作、最大使用壽命、最大限度降低成本的情況下，為獨(dú)立光伏系統(tǒng)選擇并確定參數(shù)合理、數(shù)量合適的蓄電池。

2 蓄電池的選擇

（1） 方法

獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池的選擇過程主要包括三個(gè)方面：蓄電池種類、蓄電池的容量和蓄電池組串并聯(lián)的確定。

蓄電池種類很多，主要有鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池、鎳氫電池等。目前，由于產(chǎn)品技術(shù)的成熟性和成本等因素，一些小型簡單的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中使用鎳氫電池，但應(yīng)用較少；多數(shù)的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中使用鉛酸蓄電池，應(yīng)用廣泛。國家還制定了GB/T22473-2008《儲(chǔ)能用鉛酸蓄電池》標(biāo)準(zhǔn)，用以規(guī)范該類鉛酸蓄電池產(chǎn)品的要求。本文以下的內(nèi)容均以鉛酸蓄電池為基礎(chǔ)。

蓄電池的容量選擇與很多因素有關(guān)，主要有日負(fù)載需求、蓄電池最大放電深度、獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)、安裝地環(huán)境溫度。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)的蓄電池容量，要保證系統(tǒng)在太陽光照連續(xù)低于平均值的情況下負(fù)載仍可以在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)正常工作。在光照度低于平均值的情況下，太陽能電池組件產(chǎn)生的電能，不能完全補(bǔ)充每日負(fù)載需求從蓄電池中消耗能量而產(chǎn)生的空缺，這樣蓄電池就會(huì)處于虧電狀態(tài)。如果在一定時(shí)間內(nèi)光照度始終低于平均值，蓄電池持續(xù)放電以供給負(fù)載的需要，蓄電池的荷電狀態(tài)持續(xù)下降。但是為了避免蓄電池的損壞，這樣的放電過程只能允許持續(xù)一定的時(shí)間，直到蓄電池的荷電狀態(tài)到達(dá)安全的最低值，即蓄電池的最大放電深度。這里我們將持續(xù)放電時(shí)間稱為：獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)，即光伏系統(tǒng)在沒有任何外來能源的情況下蓄電池供給負(fù)載正常工作的天數(shù)。

獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)的確定主要與兩個(gè)因素有關(guān)：光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的氣象條件（最大連續(xù)陰雨天數(shù)）、負(fù)載對(duì)應(yīng)用場合的重要程度。通常我們將光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為光伏系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)，同時(shí)還要綜合考慮負(fù)載對(duì)應(yīng)用場合的重要程度。對(duì)于應(yīng)用場合重要的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，如通信、醫(yī)院等重要部門，必須考慮系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)較長，一般考慮為（7～14）天，相對(duì)應(yīng)的電池容量也需較大。對(duì)于其他應(yīng)用場合的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)、以及對(duì)應(yīng)的電池容量大小可以根據(jù)實(shí)際情況確定。

同時(shí)，由于鉛酸蓄電池的額定容量會(huì)隨著溫度的變化而變化（見圖2），當(dāng)蓄電池溫度下降時(shí)，蓄電池的容量會(huì)下降，所以安裝地氣溫對(duì)確定蓄電池的容量非常重要。如果安裝地的氣溫較低，實(shí)際需要的蓄電池容量就要比常溫條件下需要的蓄電池容量大，才能保證在不影響蓄電池使用壽命的情況下滿足負(fù)載的用電需求。大多數(shù)鉛酸蓄電池生產(chǎn)企業(yè)一般會(huì)提供相關(guān)的蓄電池溫度-容量修正曲線。 在該曲線上可以查到對(duì)應(yīng)溫度的蓄電池容量修正系數(shù)。

圖2溫度與容量關(guān)系

綜合上述所有的影響因素，可以得到如下獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池容量計(jì)算公式：

日負(fù)載需求（Ah）×獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)

蓄電池容量= ------------------------------------ （1）

最大放電深度×容量修正系數(shù)

蓄電池串并聯(lián)的確定直接關(guān)系到單體蓄電池?cái)?shù)量的確定，依賴于系統(tǒng)工作電壓、單體蓄電池標(biāo)稱電壓和容量以及計(jì)算出的系統(tǒng)的蓄電池容量。

系統(tǒng)工作電壓主要涉及到太陽電池組件的輸出電壓、控制器的額定工作電壓以及負(fù)載的工作電壓。通過單體蓄電池的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)工作電壓的匹配。系統(tǒng)串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量計(jì)算如下：

系統(tǒng)工作電壓

串聯(lián)單體蓄電池?cái)?shù)= ----------------------- （2）

單體蓄電池標(biāo)稱電壓

單體蓄電池的并聯(lián)數(shù)量由計(jì)算出的系統(tǒng)的蓄電池容量除以單體蓄電池容量得到。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，要盡量減少并聯(lián)數(shù)目，最好是選擇大容量的單體蓄電池以減少所需的并聯(lián)數(shù)目。因?yàn)椴⒙?lián)的單體蓄電池在充放電的時(shí)候會(huì)發(fā)生電流不平衡現(xiàn)象。并聯(lián)的組數(shù)越多，發(fā)生蓄電池不平衡的可能性就越大。

（2） 實(shí)例

根據(jù)上述計(jì)算公式，用一個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)作為范例。假設(shè)該太陽能路燈光伏系統(tǒng)負(fù)載為24V、60W的LED燈，每天工作時(shí)間約為10h。這是一個(gè)負(fù)載對(duì)電源要求并不是很嚴(yán)格的系統(tǒng)，我們選擇6天的獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)，并使用深循環(huán)電池，放電深度為80％，單體蓄電池標(biāo)稱電壓12V、額定容量200Ah。安裝地環(huán)境溫度為15℃～25℃（假設(shè)該溫度下容量不需修正）。從而可得：

日負(fù)載需求：60×10/24=25(Ah)；

蓄電池容量：6×25/0.8×1=187.5 (Ah)；

需要串聯(lián)的單體蓄電池?cái)?shù)：24V/12V=2（只）；

需要并聯(lián)的單體蓄電池?cái)?shù)：187.5/200＝0.93，取整數(shù)為1。

所以該太陽能路燈系統(tǒng)需要使用12V/200Ah的蓄電池個(gè)數(shù)為：2串聯(lián)×1并聯(lián)=2（只）。

3 結(jié)語

一般情況下，在選定蓄電池種類后，根據(jù)日負(fù)載需求、獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)、最大放電深度、安裝地氣溫等信息數(shù)據(jù)和上述計(jì)算公式，就可以選擇和確定獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池的容量大小以及蓄電池?cái)?shù)量。但在實(shí)際應(yīng)用中，蓄電池容量的選擇還要考慮其他因素，比如安裝地點(diǎn)，如果在很偏遠(yuǎn)的地區(qū)，考慮到維護(hù)成本、維護(hù)周期的原因，必須使用比計(jì)算值大的蓄電池容量。因此，光伏獨(dú)立系統(tǒng)蓄電池的選擇是理論計(jì)算與成本等其他因素綜合衡量的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 太陽能發(fā)電-光伏能源系統(tǒng) Stefan Krauter

[2] 獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池的作用及選擇 張鳳鳴

[3] 獨(dú)立光伏電站鉛酸蓄電池的運(yùn)行管理參數(shù) 可再生能源

[4] 太陽能光伏應(yīng)用中的蓄電池研究 陳維 沈輝■