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太阳能发电系统的蓄电控制系统 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:太阳能发电系统的蓄电控制系统学生姓名: 学 号: 专 业:电气工程及其自动化班 级:电气 指导教师: 讲师太阳能发电系统的蓄电控制系统摘要 本文首先对太阳能发电的优势、国内外太阳能利用现状、光伏发电的工作原理及运行方式做出了简介,提出了本课题研究的目的与任务,对太阳能电池、光伏组件和储能装置的类型、原理及特性进行分析,并对铅酸蓄电池的充放电控制策略、充放电保护进行介绍。 其次,对控制器的工作原理及控制器应具备的功能进行分析,如对蓄电池的充放电控制,对太阳方位和高度的跟踪,对太阳能电池最大功率点的跟踪以及防蓄电池过充电过放电等功能进行分析。 在此基础上本文还对控制器的种类、几种基本电路和工作原理进行分析介绍,并重点对单路串联型充放电控制器电路进行设计。包括检测控制电路驱动电路等。此外,本文还对蓄电池、光伏组件的容量及串并联的设计方法进行分析,最后?我国光伏发展前景和机遇做出展望。关键词:太阳能;蓄电;光伏;控制器Solar power generation system Reserve Power Control System Abstract ?In this article ,It firstly gives recommendation on the advantages of the power generation with solar energyIntroduces the working principle and operation mode of photovoltaic power generation and promotes the target and? task of the subject.In this article,it analysed the solar energy battery.Pv module and energy storage device from their types.principles and characteristics.It aslo recommended the charge and discharge controlling? strategy of lead-acid battery and the charge and discharge protection. ?Secondly,It analysed the controller from its working principle and basic functions.For instance,controlling the charge and discharge of battery,tracking the solar direction and the imum power of solar energy battery and analysing the over charge and discharge of the battery. Out of the basis above,it gave analysis and recommendation on the types of controller and some basic circuit designed the charge and discharge controller which is in single channel series type. Including the detection control circuit, the driver circuit. In addition,it analysed the capacity of the battery and Pv module and the way of designing the series parallel.Finally it looked the future of the prospect of photovoltaic development in china. Keywords:Solar ;Reserve Power;PV;controller目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 人类面临的能源问题11.2 太阳能主要利用形式及光伏发电的优势21.3 国内外太阳能应用的现状31.4 光伏发电的工作原理及运行方式51.4.1 太阳能发电的工作原理51.4.2太阳能光伏发电的运行方式61.5本课题目的与任务71.6本章小结8第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理92.1概述92.2太阳能电池112.2.1太阳能电池的种类112.2.2太阳能电池工作原理112.2.3太阳能电池的基本特性122.2.4光伏阵列的构成152.2.5光伏阵列的特性162.3储能装置192.3.1独立光伏系统用的储能装置192.3.2蓄电池工作原理202.3.3.蓄电池的基本特性212.3.4铅酸蓄电池常用的充电方法212.3.5影响铅酸蓄电池寿命的因素及充放电保护222.3.6铅酸蓄电池放电控制策略222.3.7铅酸蓄电池充电控制策略232.4光伏系统的系统配置与计算242.5本章小结25第三章 太阳能光伏发电供电系统的蓄电控制系统的研究263.1控制器263.2控制器基本原理263.3控制器应具备的功能273.3.1对蓄电池充放电的控制273.3.2对太阳方位和高度的跟踪303.3.3对太阳能电池最大功率点的跟踪323.4本章小结34第四章 蓄电控制系统的设计354.1控制器的分类354.2控制系统的几种基本电路和工作原理374.3控制系统的选择424.4蓄电控制系统的设计434.4.1检测控制电路的设计444.4.2驱动电路的设计454.5蓄电池及光伏组件的设计534.5.1设计的基本原理534.5.2 蓄电池设计方法544.5.3光伏组件方阵设计614.5.4蓄电池和光伏组件方阵设计的校核664.6本章小结67第五章 我国光伏未来展望、机遇和建议及战略对策695.1光伏未来展望695.2光伏发展的机遇和建议705.3我国光伏发展的战略对策715.4本章小结73结束语74参考文献75致谢77第一章 绪论1.1 人类面临的能源问题 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前世界能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体的结构。而化石能源是不可再生的资源,大量消耗终将枯竭,并且在生产和消费的过程中有大量污染物排放,破坏生态与环境。 为保证人类稳定、持久的能源供应,必须优化现存的以资源有限、不可再生的化石能源为主体的能源结构,建立资源无限、可以再生、多样化的新能源结构,走经济社会可持续发展之路。 为保护人类赖以生存的地球生态环境,必须采取措施减少化石能源的耗用,大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源,走与生态环境和谐的绿色能源之路。 可再生能源,包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能,是广泛存在、用之不竭、可以自由索取、最终可依赖的初级能源。直至近二三百年化石能源得以大规模开发使用之前,它一直是人类赖以生存与发展的能源来源。当前,化石能源与核裂变能已成为最主要的商品能源,可再生能源中只有水能在商品能源中占有明显的份额。自20世纪70年代开始,人们认识到根据当今化石能源的开发使用力度,它将在几十至一百多年间衰竭,对于人类未来能源可持续供应来说,我们又将重新进入可再生能源为主的新时期。 与化石能源相比,可再生能源具有能量密度低,随着季节、昼夜与气候条件的变化而变化,不连续,难于携带和运输等特点。若要取代化石能源则需解决一系列科学技术问题和经济性问题,整个过程需要长时间的持续努力。可喜的是,近年来,可再生能源的开发利用得到了日益增强的重视与支持,取得了一些重要进展,大大增强了人类在化石能源衰竭后仍能依赖可再生能源可持续发展的信心。1.2 太阳能主要利用形式及光伏发电的优势 太阳能利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用这三种主要形式。我国低温光热利用已经具有可观的规模,它成本低、使用方便、安全可靠,已经为全国广大人民所接受。 光伏利用近期在世界范围内高速发展,我国光伏研究及其应用技术的发展也令人鼓舞,特别是2002年在“西部大开发”战略的推动下,呈现出了一片繁荣景象。 光伏利用有以下明显的优点: 无污染:绝对零排放?无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等排放; 可再生:资源无限,可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性; 资源的普遍性:基本上不受地域限制,只是地区之间有丰富与欠丰富之别; 机动灵活:发电系统可按需要以模块方式集成,可大可小,扩容方便; 通用性、可存储性:电能可以方便地通过输电线路传输、使用和存储; 分布式发电系统:将提高整个能源系统的安全性和可靠性,特别是从抗御自然灾害和战备的角度来看,它更具有明显的意义; 资源、发电、用电同一地域:可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用; 光伏建筑集成:节省发电基地使用的土地面积和费用,是目前国际上研究及发展的前沿,也是相关领域科技界最热门的话题之一。 由于太阳电池的主要原料?硅的储量十分丰富,随着太阳电池研究的快速进展和转换效率的不断提高以及与其相关的系统技术的进展,发电成本已经呈现快速下降趋势。可以预料,太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。1.3 国内外太阳能应用的现状 上个世纪的70年代,由于两次石油危机的影响,光伏发电在发达国家受到高度重视,发展较快。随着全球性的自然资源过度开发与消耗,环境的污染和破坏,1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”,通过了里约宣言和21世纪议程,走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略,发展新能源和可再生能源已成为非常紧迫的任务,特别是光伏发电更受到各国政府的重视。美国政府最早制定光伏发电的发展计划,1997年又提出“百万屋顶”计划,能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策,总光伏安装量已经达到3000MW以上,美国光伏产业连续3年均以高于3%的年增长率上升,其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的;瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国,也纷纷制定光伏发展计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程,1990年德国提出1000屋顶发电计划,1998年进一步提出10万屋顶计划。1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克,极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场;印度、马来西亚等东南亚国家,也制定了国家的光伏发展计划。澳大利亚一家名为Integral Energy的公司已开始销售适用于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为150W,包括安装费在内的零售价是290美元,占澳大利亚普通家庭年耗电量的5%,每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5kW,零售价为20000美元,完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。目前,最大的太阳能发电站出力已达到10MW。出于环保和能源持续供应的需要,太阳能光伏发电(即光伏电池)近年来始终保持3040%的年增长量,因而被誉为全世界增长最快的能源。1999年世界光伏电池总产量为202MW,2001年增为375MW,随着美国“百万个太阳屋顶计划”、“欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划”的实施,到2010年世界光伏电池容量将达20000MW,全球20亿无电人口将从中受益。 在我国,随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技进步,特别是“西部开发”战略的实施,利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决西部辽阔地区几千万人口的用电问题这一伟大构想已经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小,不利于常规电网的延伸,但日照时间长、日射强度大,为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站,解决乡村一级基本生产、办公、生活用电需要是提高用电普及率的有效途径;同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源,有利于提高当地的农牧业机械化、自动化水平。1996年,我国由国家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划,计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的用电问题,使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平,相当于届时全国人均拥有发电容量1/3的水平。2001年11月,由国家计委组织实施的“西部省份无电乡通电工程光伏发电站(含风光互补发电站)建设项目”正式启动,该项目是“中国光明工程”计划的重要组成部分,涉及青海省、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、四川省、陕西省等七省区780个无电乡,旨在解决西部地区无电乡的基本生活用电问题。另外,中科院电工所先后建成了西藏双湖25kW、安多100kW、班戈70kW和尼玛40kW光伏电站。在未来20年,我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展,成本将不断下降。我国光伏市场的潜力很大,目前我国尚有3万多个村庄、100多万个农户没用上电。北京申报2008年奥运成功,提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想,要把2008年奥运会办成最成功的一届奥运会,光伏发电应用必然要担当一个重要的角色,在奥运村和运动场馆规划中,太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位。1.4 光伏发电的工作原理及运行方式1.4.1 太阳能发电的工作原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池,又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光(或其它光)照射到太阳能电池上时,电池吸收光能,产生光生电子?空穴对。在电池内建电场作用下,光生电子和空穴被分离,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏达效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载,则负载就有“光生电流”流过,从而获得功率输出。这样,太阳的就直接变成了可以付诸实用的电能。 可把上述太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括成如下3个主要过程: 太阳能电池吸收一定能量的光子后,半导体内产生电子?空穴对,称为“光子载流子”,两者的电性相反,电子带负电,空穴带正电; 电性相反的光生载流子被半导体P-N节所产生的静电场分离开; 光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集,并在外电路中产生电流,从而获得电能。1.4.2太阳能光伏发电的运行方式 通过太阳能电池(又称光伏电池)将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统(又称太阳能光伏发电系统)。太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池,生产工艺技术成熟,已进入大规模产业化生产,广泛应用于工业、农业、科技、文教、国防和人民生活的各个领域。预计21世纪中叶,太阳能光伏发电将发展为重要的发电方式,在世界可持续能源结构中占有一定的比例。 地面太阳能光伏发电系统的运行方式,主要可分为离网运行和联网运行两大类。未与公共电网联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统,又称为独立太阳能光伏发电系统,主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所,如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、荒漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本生活用电,为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统,它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向,是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。特别是其中的光伏电池与建筑相结合的联网屋顶太阳能光伏发电系统,是众多发达国家竞相发展的热点,发展迅速,市场广阔,前景诱人。 为给农村不通电乡镇及村落广大农牧民解决基本生活用电和为特殊处所提供基本工作电源,经过30多年的努力,离网太阳能光伏发电在我国已有一定的发展,到2004年底光伏电池总装机容量约达65MW左右,并将继续快速发展。但联网太阳能光伏发电系统在我国却尚处于试验示范的起步阶段,远落后于美、欧、日等发达国家和地区。我们应制订规划,采取措施,积极加以发展。1.5本课题目的与任务 太阳电池是一种典型的非线性半导体有源器件,其输出特性是一组以太阳光照度为参变数的具有下垂特性的曲线族。为了充分利用太阳电池的输出能量,就必须控制太阳电池的工作点,尽可能提高太阳电池的光电转换效率。 在太阳能光伏发电系统中,必须配备贮能蓄电池,蓄电池起着储存和调节电能的作用。当日照充足或风力很大而产生的电能过剩时,蓄电池将多余的电能贮存起来;当系统发电量不足或负载用电量大时,蓄电池向负载补充电能,并保持供电电压的稳定。 蓄电池,尤其是铅蓄电池,需要在充电和放电过程中加以控制,频繁地过充和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池大量出气(电解水),造成水分散失和活性物质的脱落;过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电过放电的损害,则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电,这套系统称为蓄电控制系统(充放电控制器)。蓄电控制系统通过检测蓄电池的电压或荷电状态,判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点,并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。 随着太阳能光伏发电系统容量的不断增加,设计者和用户对系统运行方式合理性的要求越来越高,系统的安全性也更加突出和重要。因此,近年来设计者又赋予控制系统更多的保护和监测功能。使早期的蓄电池充电控制器发展成今天比较复杂的系统控制器。此外,控制器在控制原理和使用的元器件方面也有了很大发展和提高,目前先进的系统控制器已使用了微处理器,实现了软件编程和智能控制。1.6本章小结 本章主要对人类面临的资源问题、光伏利用形式及优势、国内外光伏利用的发展现状,做了简介。其次介绍了太阳能发电的工作原理及运行方式。最后提出本课题研究的意义和目的。第二章 太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理2.1概述 光伏系统的组成: 图2.1光伏系统结构图 太阳能电池方阵 太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成,每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子阵列,每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设定的最电高压时,自动依次切断一个或数个子阵列,以限制蓄电池的充电电压继续增长确保蓄电池的寿命,并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。 蓄电池组 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置,其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来,在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里,满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池,重要的场合也有用镉镍蓄电池,但价格较高,相对来说应用没有前一种广泛。 在光伏发电系统中,蓄电池处于浮充放电状态,夏天日照量大,方阵除了供给负载用电外,要给蓄电池充电;冬天日照量小,这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环:白天方阵给蓄电池充电(同时方阵还要给负载供电),晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小,耐过充放,而且充放电效率要高,当然还要考虑价格低廉,使用方便等因素。 如前所述,当蓄电池端电压达到设定的最高值时,由电压检测电路得到信号电压,通过控制电路进行开关切换,使系统进入稳压闭环控制,既保持对蓄电池充电,又不致使蓄电池过充,造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏,从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时,系统发出报警指令。当蓄电池端电压下降至过放值时,系统也会发出报警指示,同时逆变器自动关闭,以保证蓄电池不再继续放电。 控制器 在不同的光伏发电系统中控制器各不相同,其功能的多少和复杂程度差别很大,需要根据发电系统的要求及重要程度来确定。控制器一般由各种电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。最简单的系统也可以不用控制器,有些要求有过充放、稳压等功能,而一些复杂的系统,如并网发电的光伏电站(并网发电不在本文的讨论范围内),则要求有自动检测、控制、转换等多种功能。 逆变器 逆变器将太阳能电池方阵输出和蓄电池放出的直流电转换成负载所需的交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成,采用正弦脉宽调制工作制,抗干扰能力强,还有很强的过载及限流保护功能。2.2太阳能电池 太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳电池。本章分别对太阳能电池的种类、太阳能电池的原理、光伏组件的类型、光伏组件的特性、太阳能电池的保护等有关内容进行介绍。2.2.1太阳能电池的种类 太阳电池按电池材料分为硅型光伏电池、非硅半导体光伏电池和有机光伏电池三种。硅型电池包括单晶硅、多晶硅和非晶硅光伏电池。单晶硅材料结晶完整,载流子迁移率高,串联电阻小,光电转换率最高,可达到20%左右,但成本比较贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这种材料中的正、负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失,所以不能全部被P-N结电场所分离,使之效率一般要比单晶硅光伏电池低,但成本也较低。非晶硅造价低廉,但光伏转换效率比较低,稳定性也不如晶体硅光电池,目前主要用于弱光性电源,如手表、计算器等的电池。 非硅半导体光伏电池主要有硫化钠光伏电池和砷化镓光伏电池。有机光伏电池主要由一些有机的光电高分子材料构成的光伏电池。2.2.2太阳能电池工作原理 在自然界中,物体电阻率在左右的称为半导体。大部分半导体的特点在于其导电能力和电阻率对参入的微量杂质的种类和浓度十分敏感,具有对温度和光照等外部条件变化的热敏、光敏等特性。 半导体还具有很强的光伏效应。所谓光伏效应是指物体吸收光能后,其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化,由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生出这种效应,然而半导体光伏效应的效率最高。当太阳光照射到半导体的P-N结上,就会在其两端产生光生电压,若外部将P-N结短路,就会产生光电流。 光伏电池正是利用了半导体材料的这些特征,把光能直接转化成电能。而且在这种发电过程中,光伏电池本身既不发生任何化学变化,也没有机械磨耗;在使用过程中,无噪音,无气无味,对环境无污染。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起,构成光伏电池组件,便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。2.2.3太阳能电池的基本特性 输出特性 光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性,其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系,所以本文不对其进行讨论。光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下,电池的负载外特性,直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下,特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时,电池有不同的输出特性曲线,曲线上任何一点都可以作为工作点,工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压,两者之乘积即为电池的输出功率P,即PVI。光伏阵列的输出电流不仅与太阳光强有关而且还与温度有关。对于参数见表2.1的光伏阵列,当光强从1000W/ 变到300W/ 时的特性曲线如图2.2所示。表2.1 某光伏阵列的参数 图2.2 光强变化时光伏阵列的特性曲线 可以看出,I-V曲线具有高度的非线性特征,在P-V特性曲线中,随着端电压由零逐渐增大,输出功率先上升然后下降,说明存在一个电压点,在其附近可获得最大输出功率。最大功率点跟踪控制,将在第三章中研究。 转换效率 光伏电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率的比值,用式子表示为(2-1) 式中, 、分别为光伏阵列最大电流(A)和最大电压(V)。 光伏电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数,它与电池的结构、结构特性、材料特性、工作温度和环境温度变化等有关。在温度恒定的情况下,电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出,电池的转换效率决定了所需电池板的数量,所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径:可以通过加装聚光器来加强光照强度,从而减少光伏电池的使用,降低光伏发电的成本。 填充因子 又称曲线因子,即光伏电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值,用符号表示 (2-2) 填充因子是评价光伏电池性能优劣的一个重要参数。影响填充因子的因素是多方面的,它既和电池材料的P-N结曲线因子常数、串联电阻、并联电阻等内部参数有关,还与光伏电池工作温度、光照强度等外部条件有关。一般1, 它的值越高,表明光伏电池输出特性越近于矩形,电池的光电转换效率越高。 光伏电池的温度特性 温度的变化会改变光伏电池的输出性能。温度上升将使光伏电池开路电压下降,短路电流略微增大,当温度从0°C变到100°C时特性曲线如图2.3所示。温度升高会造成光伏电池的输出功率下降。对于单晶硅光伏电池,温度每升高1°C,输出功率大约下降0.5%,因此设计光伏发电系统时,根据当地的各月平均气温,可估算出当地气温对于光伏电池转换效率的修正。 2.3 温度变化时光伏阵列的特性曲线 由特性曲线可知,效率随着温度的上升而下降,即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时,如果使用聚光器,则聚光器的聚光倍数不能过大,以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。由特性曲线可知,当光强变化时,输出功率和最大功率点都在变,所以最大功率点跟踪是必要的。光伏阵列I-V和P-V特性与太阳辐射强度、环境温度之间是高度非线性的,随着光强的增加,输出电流、电压都增加,而温度升高时输出电流略有增加,而电压减小。2.2.4光伏阵列的构成 在构成太阳电池阵列时,为避免组合损失,应尽可能选用参数一致的太阳电池组件。温度变化对太阳电池的P-V特性曲线的影响己表示于图2.5。由图可以看出,随着温度的升高,太阳电池最大功率点电压及开路电压向左偏移减小,发电能力也随之下降。在太阳电池作为电源的具体系统中,单个太阳电池的输出功率往往太小,因此作为太阳电池的最终产品,总是取若干个太阳电池串联或并联后封装在一起,构成太阳电池组件module。按照系统所需功率及电压的大小,可以用许多个例如几个、几十个、几百个甚至成千上万个组件按串、并联规则组合在一起,构成光伏阵列(PV array),以便把太阳能直接转换为电能后向负载供电。 图2.4 太阳电池的特性曲线 图2.5 不同温度下的太阳电池P-V特性曲线 光伏阵列的伏-安特性具有和单个太阳电池同样的形状,若忽略单个太阳电池、太阳电池组件相互之间的连接电阻并假设它们具有理想的一致性,则光伏阵列的伏-安特性可以看作仅是单个太阳电池伏-安特性按串、并联方式放大其坐标的比例尺,因此图2.4同样也可以看作是光伏阵列的I-V特性曲线。2.2.5光伏阵列的特性 光伏阵列的伏-安特性受温度的影响较大,一般说来,对于常用的晶体硅太阳电池,其影响系数为: 开路电压 (-0.37-0.4%)(25)/ 短路电流 (+0.09+0.1%) (25)/ 光伏阵列在不同温度条件下的I-V和P-V关系曲线如图2.6和图2.7所示。 图2.6 不同温度下的光伏阵列I-V关系曲线 图2.7 不同温度下的光伏阵列P-V关系曲线 光伏阵列输出功率P随温度变化而呈现出的衰减率约为0.5%P(25)/,如图2.8所示。 图2.8温度对光伏阵列工作特性的影响 光伏阵列的工作特性除了受温度影响外,在很大程度上还与日照强度有关。图2.9a、b分别给出了不同日照强度下典型的I-V和P-V特性曲线。 图2.9 不同日照下光伏阵列的I-V和P-V特性曲线2.3储能装置2.3.1独立光伏系统用的储能装置 在独立光伏系统中,由于太阳能电池的输出功率随太阳光照强度在变化,当夜间或阴雨天时,太阳能电池的输入功率为O或很小,不能满足负载的要求。因此独立光伏系统需要一个储能装置,在光照强的时候,把多余的电能储存下来,供光照弱的时候使用。可选的储能方法有电容器储能,飞轮储能,超导储能,提升重物,分解水为氢氧等,但从方便、可靠、价格等综合的角度来看蓄电池是独立光伏系统储能装置的最佳选择。小型的独立光伏系统有用铅酸蓄电池的,也有用福镍蓄电池的等,但大中型的系统一般用铅酸蓄电池。因为铅酸蓄电池有如下的优点: 除铿离子二次电池外,在常用体系蓄电池中,铅酸蓄电池的单格电压最高,为2伏; 较廉价; 可制成小至1安时大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池; 高低温性能良好,可在-4060摄氏度条件下工作; 没有记忆效应。在本课题中,我们也选用铅酸蓄电池作为储能装置。铅酸蓄电池按用途可以分为起动用系列,固定防酸式,牵引用,铁路客车用,内燃机车用,摩托车用,航空用等。按电池盖和排气栓结构可分为开口式,排气式,防酸隔爆式,防酸消氢式,阀控密封式。在光伏系统中一般选用固定防酸式及阀控密封式,现在很多蓄电池厂家专门为光伏系统推出了太阳能应用铅酸蓄电池。应用于光伏系统的蓄电池的工作条件一般有以下几个特点: 充电率非常小; 放电率非常小; 充电时间受到限制,有阳光时才充电,没有就不充电; 不能按一定的规律对蓄电池充电。普通的铅酸蓄电池工作在这样的环境下寿命会缩短,而太阳能用铅酸蓄电池针对这些条件进行了改进,能较好的适应这样的环境。2.3.2蓄电池工作原理 铅酸蓄电池由正、负极板电解液和电解槽组成,正极板的活性物质是二氧化铅,负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅,电解液是浓度为27%37%的硫酸水溶液,蓄电池的容量与极板面积有关。在充电过程中,电解液与正负极板上的活性物质发生化学反应,把电能变成化学能储存起来;在放电过程中,电解液与正负极板上的活性物质发生化学反应,把储存在蓄电池内的化学能变成电能供给负载。电解槽是极板组和电解液的容器。其放电及充电的化学反应式如下 (2-3) 蓄电池充电时,要外接直流电源。当外接直流电源的电压高于蓄电池电动势时,电流从正极板流入蓄电池,经过电解液后,从负极板流出。在充电电流作用下,正极板上的逐渐变成;负极板上的逐渐变成。同时,电解液中硫酸分子逐渐增加,水分子逐渐减小,电解液的浓度逐渐增加,蓄电池的端电压也随之升高。放电过程与充电过程正好相反。2.3.3.蓄电池的基本特性 蓄电池的基本特性直接影响光伏发电系统,配有蓄电池的光伏发电系统的运行特性很大程度上由蓄电池的特性所决定。 蓄电池的自放电 蓄电池的自放电是指蓄电池在独立存贮期间容量逐渐减少的现象。蓄电池在不带任何负载时由于自放电而使容量损失,直至容量为零。 使用寿命 是指蓄电池的有效寿命,即规定工作条件下,蓄电池正常工作时间。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限指包括蓄电池存放时间在内的蓄电池可供使用的时间;使用周期是指蓄电池可以重复使用的次数。当蓄电池发生内部短路或外部损坏而不能使用,使蓄电池使用失效,这时蓄电池的使用寿命终止。由于规定试验方法的不同,同一个蓄电池使用期限也各异。 蓄电池的运行方式 根据光伏发电系统的使用要求,可将多个同型号蓄电池串联、并联构成蓄电池组。蓄电池组主要有三种运行方式:循环充放电制、定期浮充制和连续浮充制。2.3.4铅酸蓄电池常用的充电方法 普通应用的铅酸蓄电池的充电方法有恒流充电,恒压充电及恒压限流充电等,这些方法在光伏系统中都用不上,因为光伏系统中蓄电池的充电没有固定的规律,充电的情形是随光照在变化的。在光伏系统中,蓄电池总的充电策略是在蓄电池没有充满的情况下,就尽可能多的把太阳能电池产生的电流充进去。当然也要考虑蓄电池的接受能力,蓄电池放电后的初始充电电流是有个上限的,随着充电的进行蓄电池可接受的充电电流在逐渐变小。若充电电流大于了蓄电池可接受的电流,会导致蓄电池升温,电极副反应的发生,损害电池。但在实际的光伏系统的配置中,蓄电池的充电率往往很小,一般来说充电电流大都在蓄电池可接受的范围内,所以在一般情况下可以不考虑蓄电池充电电流大于可接受电流的问题。在要求严格的情形下,当蓄电池快充满时,充电电流大于可接受电流时,若是多路的太阳能电池,则可以一路一路的断开太阳能电池,减小充电电流;若是单路的太阳能电池,则可以使用脉冲充电的方法,或快速充电中的充一会,再放一瞬间的方法。不过这样系统的控制就比较复杂了。2.3.5影响铅酸蓄电池寿命的因素及充放电保护 影响蓄电池寿命的因素有:放电深度、过充电程度等。在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的,它随天气状况和季节而变。在天气晴朗的夏日,蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日,蓄电池放电深度大。过充电程度也随季节天气变化,在冬季,蓄电池可能从没充满过,在夏天,蓄电池可能经常是满的。为了延长蓄电池的寿命,必须合理的控制蓄电池的放电与充电。当蓄电池放电到一定程度时,应停止放电,防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流,防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。2.3.6铅酸蓄电池放电控制策略 判断铅酸蓄电池是否达到过放电一般的方法是设定一个电压下限,它是放电电流的函数,当蓄电池放电时的端电压低于时便切断负载,一直到蓄电池的端电压恢复到一个比大一点的值后,才重新允许放电。2.3.7铅酸蓄电池充电控制策略 对光伏系统中的蓄电池充电时,如何对充电电流,充电电压进行控制呢?主要的依据是蓄电池的荷电状态。蓄电池在不同的荷电状态时,所要求的最佳充电电流,充电电压是变化的,不同的。如果知道了蓄电池的荷电状态,基本上就能有效的控制充电电压和电流。有很多文章和专著对测量铅酸蓄电池的荷电状态这个问题进行了探讨,也提出了一些比较有效的方法,但由于铅酸蓄电池内部的机理比较复杂,很多理论都只是一个近似解,离实用所要求的完善,可靠,还有一定的差距。探讨光伏系统中铅酸蓄电池荷电状态的检测是本文的重点之一。 对铅酸蓄电池荷电状态的检测归纳起来有两条途径: 第一条途径是从蓄电池内部入手。首先,让我们再次回顾一下铅酸蓄电池充电的内部机理。早期的铅酸蓄电池是开口的,或电池盖是可以打开的。在电池里面盛放的是硫酸溶液,正负电极浸泡在硫酸中,在充电时发生如下的反