獨立光伏系統蓄電池的選擇

1 引言

伴隨社會經濟的飛速發展，能源消耗持續增加，環境問題日益突出，開發、利用太陽能作為新能源成為大勢所趨。太陽能發電無需燃料，具有無污染、安全、無噪聲、運行簡單可靠、資源的相對廣泛性和充足性、長壽命等其他常規能源所不具備的優點。光伏能源被認為是二十一世紀最重要的新能源、可再生的綠色能源。太陽能光伏發電系統應用非常廣泛，依據應用的形式不同一般可分為兩大類：獨立光伏系統和并網光伏系統。其中獨立光伏系統應用相對廣泛，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。

獨立光伏系統一般由四個基礎部分組成：光伏電池陣列、儲能系統（蓄電池）、直流控制系統、負載，如圖1所示。

圖1 獨立光伏系統組成

在獨立的光伏系統中，蓄電池的作用主要是儲存能量，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，蓄電池供給負載，保證系統的正常運行。它是僅次于太陽能光伏陣列的重要組成部分，也是對系統性能可靠性、系統成本影響最大的部分之一。本文探討如何在保證系統正常工作、最大使用壽命、最大限度降低成本的情況下，為獨立光伏系統選擇并確定參數合理、數量合適的蓄電池。

2 蓄電池的選擇

（1） 方法

獨立光伏系統蓄電池的選擇過程主要包括三個方面：蓄電池種類、蓄電池的容量和蓄電池組串并聯的確定。

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，由于產品技術的成熟性和成本等因素，一些小型簡單的獨立光伏系統中使用鎳氫電池，但應用較少；多數的獨立光伏系統中使用鉛酸蓄電池，應用廣泛。國家還制定了GB/T22473-2008《儲能用鉛酸蓄電池》標準，用以規范該類鉛酸蓄電池產品的要求。本文以下的內容均以鉛酸蓄電池為基礎。

蓄電池的容量選擇與很多因素有關，主要有日負載需求、蓄電池最大放電深度、獨立運行天數、安裝地環境溫度。

獨立光伏系統的蓄電池容量，要保證系統在太陽光照連續低于平均值的情況下負載仍可以在一定時間內持續正常工作。在光照度低于平均值的情況下，太陽能電池組件產生的電能，不能完全補充每日負載需求從蓄電池中消耗能量而產生的空缺，這樣蓄電池就會處于虧電狀態。如果在一定時間內光照度始終低于平均值，蓄電池持續放電以供給負載的需要，蓄電池的荷電狀態持續下降。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一定的時間，直到蓄電池的荷電狀態到達安全的最低值，即蓄電池的最大放電深度。這里我們將持續放電時間稱為：獨立運行天數，即光伏系統在沒有任何外來能源的情況下蓄電池供給負載正常工作的天數。

獨立運行天數的確定主要與兩個因素有關：光伏系統安裝地點的氣象條件（最大連續陰雨天數）、負載對應用場合的重要程度。通常我們將光伏系統安裝地點的最大連續陰雨天數作為光伏系統的獨立運行天數，同時還要綜合考慮負載對應用場合的重要程度。對于應用場合重要的光伏應用系統，如通信、醫院等重要部門，必須考慮系統的獨立運行天數較長，一般考慮為（7～14）天，相對應的電池容量也需較大。對于其他應用場合的光伏應用系統，系統的獨立運行天數、以及對應的電池容量大小可以根據實際情況確定。

同時，由于鉛酸蓄電池的額定容量會隨著溫度的變化而變化（見圖2），當蓄電池溫度下降時，蓄電池的容量會下降，所以安裝地氣溫對確定蓄電池的容量非常重要。如果安裝地的氣溫較低，實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載的用電需求。大多數鉛酸蓄電池生產企業一般會提供相關的蓄電池溫度-容量修正曲線。 在該曲線上可以查到對應溫度的蓄電池容量修正系數。

圖2溫度與容量關系

綜合上述所有的影響因素，可以得到如下獨立光伏系統蓄電池容量計算公式：

日負載需求（Ah）×獨立運行天數

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

最大放電深度×容量修正系數

蓄電池串并聯的確定直接關系到單體蓄電池數量的確定，依賴于系統工作電壓、單體蓄電池標稱電壓和容量以及計算出的系統的蓄電池容量。

系統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載的工作電壓。通過單體蓄電池的串聯來實現與系統工作電壓的匹配。系統串聯蓄電池數量計算如下：

系統工作電壓

串聯單體蓄電池數= ----------------------- （2）

單體蓄電池標稱電壓

單體蓄電池的并聯數量由計算出的系統的蓄電池容量除以單體蓄電池容量得到。在實際應用當中，要盡量減少并聯數目，最好是選擇大容量的單體蓄電池以減少所需的并聯數目。因為并聯的單體蓄電池在充放電的時候會發生電流不平衡現象。并聯的組數越多，發生蓄電池不平衡的可能性就越大。

（2） 實例

根據上述計算公式，用一個太陽能路燈系統作為范例。假設該太陽能路燈光伏系統負載為24V、60W的LED燈，每天工作時間約為10h。這是一個負載對電源要求并不是很嚴格的系統，我們選擇6天的獨立運行天數，并使用深循環電池，放電深度為80％，單體蓄電池標稱電壓12V、額定容量200Ah。安裝地環境溫度為15℃～25℃（假設該溫度下容量不需修正）。從而可得：

日負載需求：60×10/24=25(Ah)；

蓄電池容量：6×25/0.8×1=187.5 (Ah)；

需要串聯的單體蓄電池數：24V/12V=2（只）；

需要并聯的單體蓄電池數：187.5/200＝0.93，取整數為1。

所以該太陽能路燈系統需要使用12V/200Ah的蓄電池個數為：2串聯×1并聯=2（只）。

3 結語

一般情況下，在選定蓄電池種類后，根據日負載需求、獨立運行天數、最大放電深度、安裝地氣溫等信息數據和上述計算公式，就可以選擇和確定獨立光伏系統蓄電池的容量大小以及蓄電池數量。但在實際應用中，蓄電池容量的選擇還要考慮其他因素，比如安裝地點，如果在很偏遠的地區，考慮到維護成本、維護周期的原因，必須使用比計算值大的蓄電池容量。因此，光伏獨立系統蓄電池的選擇是理論計算與成本等其他因素綜合衡量的結果。

參考文獻

[1] 太陽能發電-光伏能源系統 Stefan Krauter

[2] 獨立光伏系統中蓄電池的作用及選擇 張鳳鳴

[3] 獨立光伏電站鉛酸蓄電池的運行管理參數 可再生能源

[4] 太陽能光伏應用中的蓄電池研究 陳維 沈輝■