基于光伏发电系统的蓄电池和控制器的研究和设计.docx

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基于光伏发电系统的蓄电池和控制器的研究和设计

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王娜李勇吕跃凤徐兵

摘要：光伏蓄电池是系统造价最贵的部分，而控制器这是整个系统的核心。通过分析太阳能蓄电池和控制器的性能和特点，给出太阳能蓄电池和控制器设计的一般原则。

关键词：光伏发电;光伏蓄电池;光伏控制器

光伏蓄电池是光伏发电系统重要部分，其造价占总系统的25%左右。蓄电池的容量决定了太阳能组件的功率，而蓄电池的维护决定了整个系统的稳定性。光伏控制器是整个光伏发电系统的大脑，主要功能是防止蓄电池的过充或过放，以延长蓄电池的使用寿命。光伏控制器主要有三方面的功能：第一，实现对太阳能电池的监控以保证其在最大功率点，以达到太阳能的最大利用;第二，控制蓄电池的输出以满足負载的电源需求;第三，防止蓄电池的过充或过放，以延长蓄电池的使用寿命。

1光伏蓄电池及其设计

电源装置是将电能转化为化学能的装置。能量过程不可逆的称之为原电池，又称为一次电池;能量过程可逆的称之为蓄电池又称为二次电池。生活中的干电池大多说为原电池，而电瓶车、电动汽车、电动游艇的电池为蓄电池。蓄电池的种类很多常见的有：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池和锂电池等，而光伏发电系统主要为阀控密封式铅酸蓄电池（VRLA）。

蓄电池上常常出现数字部分，如图1所示，12V代表蓄电池的额定电压，而65AH代表蓄电池的容量。因为使用的场合多种多样，所以蓄电池的种类很多。蓄电池的容量是指在规定放电条件下输出的电荷总量，电压是指在规定放电条件下电池输出的电压。单体蓄电池的额定电压为2V，所以在使用的过程中，经常要考虑蓄电池的串并联，以满足存储大容量电能的需求。那么串并联有什么特征呢？串联电压为各个单体电压的和，因为电流不变所以容量不变。比如15只12V/200A·h的铅酸电池串联，则串联后输出电压为210V，容量不变仍然是200A·h。但是，如果是并联输出的电压值不变，容量则是各个容量之和。比如10只6V/12A·h的铅酸蓄电池并联，则并联电压仍为6V，容量变为120A·h。铅酸蓄电池里的正极为二氧化铅，负极是铅，电解液为一定浓度的硫酸。铅酸蓄电池常见的用途有铁路、汽车、光伏、电动车等启动电池。根据使用环境又可以分为固定型电池比如用在邮局、医院和铁路等和移动型电池比如汽车和电动车等。蓄电池的标注常见的包括以下几部分：单体电池格数、电池功能、电池型号和额定容量，以生活中常见的蓄电池为例，6代表蓄电池单体个数即额定电压为6×2=12V，Q代表汽车启动用蓄电池，A代表干荷电蓄电池，70代表额定容量70A·h。蓄电池的性能参数还包括：蓄电池电动势、开路电压、工作电压、充电电压、浮充电压。同一个电池放电率不同，给出的容量也不同。比如，某12V电池如用2A放电，放电时间5h，则容量为2×5=10A·h，记为C5;同一个电池如果用1.2A放电，放电时间为10h，则容量为1.2×10=12A·h，记为C10。蓄电池在使用过程中放出的有效容量占该电池额定容量的比值称之为蓄电池的放电深度（DOD）25%左右的为浅循环放电，30%～50%为中等循环放电，而60%以上的为深循环放电。光伏发电中，DOD最高可达80%。关于光伏蓄电池，我们看几个例子。比如一只12V/10A·h的蓄电池，外接60欧姆的用电器工作了20小时，求剩余的容量？（忽略蓄电池自身的损耗）负载电流I=12/60=0.2A，则20个小时损耗的电量为20×0.2=4A·h，蓄电池总电量为10A·h，那么还剩6A·h。又如一LED太阳能路灯功率是40W，工作电压是24V，假定路灯满负荷的状态下，需要每天工作8小时。如果要求蓄电池至少提供负载3天的连续电力，且其最佳放电深度为50%，系统损耗为0.85，求蓄电池的容量？根据负载LED灯的需求工作电流为40/24，每天工作8小时则用电量为40/3A·h，3的用电量就是40A·h。考虑到蓄电池本身的损耗及其放电深度，蓄电池的额定容量需要达到40/（05×0.85）=95A·h。又如某气象检测设备的工作电压24V，功率55W，每天工作18小时。当地最大连续阴雨天数为15天，选用深循环放电蓄电池，选用峰值功率为50W的太阳能组件（工作电压17.3V，工作电流2.89V），计算蓄电池容量。负载需求的电流为55/24，每天工作的时间18小时，则用电量为（55/24）×18A·h，考虑15天的阴雨天储备，蓄电池的额定容量为需求（55/24）×15×18=618.75A·h。放电深度按80%计算，蓄电池最终的额定容量要达到61875/（0.8）=773A·h。

2光伏控制器及其设计

铅酸蓄电池的充电过程有以下几个特点：刚开始电压迅速增加，然后很长时间平稳增加，当电压增加到某一值时负极析出氢气正极析出氧气，此时应停止充电。由此可以设计充