【導(dǎo)讀】什么是感應(yīng)雷過電壓？什么是直擊雷過電壓？怎樣根據(jù)用電設(shè)備確定蓄電池的容量？?jī)?nèi)容摘要：建筑界提出“21世紀(jì)建筑”的一個(gè)概念即由建筑物自己產(chǎn)生能源，中國(guó)的太陽能資源十分豐富，為各種太陽能利用系統(tǒng)提供了巨大的市常由此，建筑物一體化便成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場(chǎng)的熱點(diǎn)。都議定書》的正式生效，如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展成為全球最強(qiáng)的呼聲。半導(dǎo)體根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理的不同可分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起在半導(dǎo)體中形成“勢(shì)壘”。生的電子向N型層移動(dòng)，由N型層中產(chǎn)生空穴向P型層移動(dòng)。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，稱為太陽電池的開路電壓。最基本的太陽電池是由P—N結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。這種系統(tǒng)白天產(chǎn)生的多余電能儲(chǔ)存在電池組中，以備。夜間及昏暗多云天使用。當(dāng)有電網(wǎng)時(shí)，就不需電池組儲(chǔ)能了。因?yàn)殡娋W(wǎng)已經(jīng)充當(dāng)了一個(gè)大的蓄電。連接電網(wǎng)式如圖3所示。當(dāng)太陽能電池板供電不足時(shí)，由電網(wǎng)向用戶

　　

【正文】 為敏感。此外，反應(yīng)速率，即充電電流或放電電流，影響反應(yīng)參數(shù)并由此影響蓄電池的性能。 光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件與蓄電池在其他場(chǎng)合的工作條件不同，其充電率和放電率都非常小，且充電時(shí)間受到限制，即只有在日照時(shí)才能充電，所以不能按一固定的充電規(guī)律對(duì)其進(jìn)行充電。由于蓄電池應(yīng)用在這個(gè)特殊 的環(huán)境下，致使其壽命比所預(yù)定的短，成為整個(gè)光伏系統(tǒng)中最易損壞的部分，其損壞的原因主要為 “ 過充 ” 與 “ 過放 ” 。 免維護(hù)鉛酸蓄電池的充放電電池反應(yīng)為： ２ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ Ｐｂ＋ＰｂＯ２＋２Ｈ２ＳＯ４ 過充是指蓄電池單格電壓超過某一水平 一般為２．３５Ｖ／單格～２．４０Ｖ／單格 ，此時(shí)蓄電池?zé)o法使產(chǎn)生的氧氣充分再化合。充電電壓過高，在負(fù)極上生成的氫很難在電池內(nèi)部被吸收，在電池中因積累而產(chǎn)生壓力并且導(dǎo)致水份損失。嚴(yán)重過充時(shí)，水分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，使得蓄電池底部濃度比其他地方高出 許多，導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化，正極板腐蝕和膨脹，造成容量損失。 第 39 頁 共 221 頁 過放是指蓄電池放電超過了規(guī)定的放電終止電壓 如圖２ ，蓄電池放出了過量的容量。在鉛酸蓄電池中，兩個(gè)電極對(duì)過放都是敏感的。在溶解再沉積機(jī)理中，當(dāng)鉛 Ｐｂ 和二氧化鉛 ＰｂＯ２ 分別溶解在電解液中并作為新的化合物硫酸鉛 ＰｂＳ０４ 沉淀出來時(shí)，活性物質(zhì)發(fā)生了徹底的轉(zhuǎn)變并且失去原有的結(jié)構(gòu)。負(fù)電極由于有反極的危險(xiǎn)，對(duì)過放也是敏感的?；钚晕镔|(zhì)中的膨脹劑可能會(huì)因氧化而失去作用，而鉛酸蓄電池在隨后再充電時(shí)枝晶增長(zhǎng)的危險(xiǎn)會(huì)大大增加。 在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行檢測(cè)以判斷是否應(yīng)繼續(xù)充電或放電。目前大部分采用電壓?jiǎn)苇h(huán)的在線式檢測(cè)方案。 ２ 在線式檢測(cè)方案 在線式檢測(cè)，即在充電過程中不斷地對(duì)蓄電池的端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池的端電壓大于某個(gè)限定值時(shí)，就視為已充滿，停止太陽電池向蓄電池充電。 由于這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格 低廉。目前應(yīng)用最為廣泛。它的電路結(jié)構(gòu)可以基于比較控制器建立蓄電池檢測(cè)電路 如圖３ 。 此電路可以用比較器來控制電池組的充電電流。 蓄電池電壓ＶＤ分別經(jīng)分壓后輸入比較器：當(dāng)ＶＤ＜８Ｖ時(shí)，比較器被觸發(fā)，太陽電池經(jīng)防反二極管向蓄電池充電；當(dāng)ＶＤ＞１５Ｖ時(shí)，停止充電。 門限電壓可設(shè)定 文中所用８Ｖ與１５Ｖ為經(jīng)驗(yàn)所得值 。 此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且易于維護(hù)，其在光伏應(yīng)用初期曾得到廣泛運(yùn)用。但它不能實(shí)現(xiàn)涓流充電，造成了能源的極大浪費(fèi)，使得本來效率就不高的第 40 頁 共 221 頁 光伏系統(tǒng)性價(jià)比更低。 隨著集成電路的廣泛使用，如今市場(chǎng)上的光伏產(chǎn)品中普遍采取基于專業(yè)芯片的檢測(cè)電路，而主控電路采用 Δ Ｖ型，充電專用ＩＣ中常用的類型。鉛酸電池在充電時(shí)，電壓隨充電時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，但充足電后端電壓開始下降。設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，利用該特性監(jiān)測(cè)電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電結(jié)束，達(dá)到自動(dòng)充電的目的，這也稱 為 — Δ Ｖ法。 以下列出芯片功能實(shí)現(xiàn)框圖 圖４ 。 它能有效地防止蓄電池的 “ 過充 ” 與 “ 過放 ” ，并能實(shí)現(xiàn)涓流充電，有利于光伏系統(tǒng)效率的提高，是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的蓄電池檢測(cè)電路。 ３ 離線式檢測(cè)方案 蓄電池的電壓受很多因素的影響，例如溫度、濕度等，特別是在充電過程中，蓄電池 的端電壓并不能很好地反映其容量。上述在線式檢測(cè)方案中蓄電池都與太陽電池直接相連，其端電壓受太陽電池端電壓制約，ＶＤ并不能準(zhǔn)確地反映蓄電池的容量。這突出表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)所處溫度較高時(shí)，由于太陽電池板和蓄電池的端電壓均受溫度影響嚴(yán)重，太陽能板端電壓隨溫度升高而降低，而蓄電池端電壓則剛好相反，容易出現(xiàn)蓄電池容量未滿卻已不能充入的現(xiàn)象 常稱之為 “ 虛滿 ” 。這在很大程度上影響了蓄電池容量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而阻礙了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，造成能源的極大浪費(fèi)。 針對(duì)這一問題，我們?cè)谶@里提出一種新穎的蓄電池容量檢測(cè)方案 —— 離線式檢測(cè)。 雖然蓄電池的電壓在充電過程中其端電壓并不能很好地反映其容量，但在斷開充電回路一段時(shí)間后，其端壓會(huì)自動(dòng)下降，下降后的端壓能很好地引導(dǎo)我們對(duì)蓄電池充電情況作出正確的判斷。我們利用蓄電池端壓的這一特性，設(shè)計(jì)一個(gè)太陽電池對(duì)多個(gè)蓄電池模塊輪換進(jìn)行充電，每個(gè)蓄電池的端壓在充電電路斷開后都有足夠的時(shí)間恢復(fù)正常，使測(cè)得電壓值能更加準(zhǔn)確地反映蓄電池容量?，F(xiàn)僅以雙模塊為例說明本方案 如圖５ 。 第 41 頁 共 221 頁 檢測(cè)電路原理如下：太陽電池同時(shí)對(duì)兩蓄電池模塊充電，同時(shí)對(duì)它們的端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)定一個(gè)比實(shí)際過充電壓略低的過充電壓值Ｖ，并據(jù)之對(duì)兩模塊粗略地進(jìn)行過壓檢測(cè)，當(dāng)其端壓高于Ｖ時(shí)，切斷其中一個(gè)蓄電池模塊 Ａ 的充電回路，而對(duì)另一個(gè)模塊Ｂ 進(jìn)行涓流充電，與此同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)過一段時(shí)間，模塊Ａ的端電壓有所降低并能準(zhǔn)確地反映電池容量時(shí)，再對(duì)Ａ的端壓進(jìn)行檢測(cè)，即精確過壓檢測(cè)。若還未充滿，則可接通其充電回路，使繼續(xù)充 電；若已充滿，控制其進(jìn)行涓流充電。當(dāng)定時(shí)器達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，重新啟動(dòng)定時(shí)并自動(dòng)切換開關(guān)，使模塊Ｂ的充電回路斷開而對(duì)模塊Ａ進(jìn)行涓流充電，靜置一段時(shí)間后，再對(duì)模塊Ｂ重復(fù)以上對(duì)模塊Ａ的操作，如此不斷循環(huán)。 這種電路雖會(huì)造成蓄電池總?cè)萘康脑黾樱茌^準(zhǔn)確地判斷蓄電池的充電情況，減小了蓄電池老化損壞的可能性，使光伏系統(tǒng)的壽命得到延長(zhǎng)；兩個(gè)蓄電池的輪流充放電充分地利用了太陽能源，提高了光伏系統(tǒng)的效率。但要具體實(shí)現(xiàn)上述方案并不容易，還需要克服許多理論和技術(shù)問題。如一個(gè)蓄電池的端壓穩(wěn)定時(shí)間與蓄電池本身的性能有關(guān)，該 實(shí)驗(yàn)中使用的為鉛酸免維護(hù)蓄電池 １２Ｖ，１２ＡＨ ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得斷電后得蓄電池端壓的變化曲線如圖６ 可以確定精確測(cè)量的定時(shí)器間隔時(shí)間 實(shí)驗(yàn)中的間隔時(shí)間?。担恚椋?。但時(shí)間設(shè)定需視蓄電池種類和容量的不同而定；蓄電池在充滿前其端電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的跳動(dòng)，使檢測(cè)電路產(chǎn)生誤判；由于實(shí)驗(yàn)中，主要需要考察不同的 充電檢測(cè)方案對(duì)蓄電池壽命的影響，所以在充電方式的選擇上，我們主要采用了兩段恒流的充電方式，放電都采用５Ａ放電。 新的檢測(cè)方式與普通的檢測(cè)方式的充電比較如下： 實(shí)驗(yàn)證明用新的離線式的端壓檢測(cè)方法來指導(dǎo)充電可以明顯提高蓄電池的使用次數(shù)。 ４ 一些其它的檢測(cè)方法 第 42 頁 共 221 頁 不同于上面所說的在線式和離線式檢測(cè)方案中，比較有代表性的是一種基于ｓｍａｒｔｂａｔｔｅｒｙ的檢測(cè)方案。最早由Ｉｎｔｅｌ與Ｄｕｒａｃｅｌｌ開發(fā)的智能電池結(jié)構(gòu)如下圖７。 它是一個(gè)典型的智能電池系統(tǒng)。它由系統(tǒng)主機(jī)、智能電池控制器及電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測(cè)電路等幾部分組成。系統(tǒng)主機(jī)和充電電路及控制器之間由ＳＭＢｕｓ連接，傳輸ＳＢＤ格式的數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測(cè)電路 由專用芯片實(shí)現(xiàn) 來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)及過流保護(hù)等功能。 國(guó)外智能電池仍然是以芯片形式推向市場(chǎng)的。智能電池尚在發(fā)展 中，國(guó)外提供的器件或者電池包要完成智能電池的功效還要做一些相應(yīng)的后期開發(fā)和設(shè)計(jì)工作，且智能電池成本相對(duì)過高，故在短時(shí)期內(nèi)很難大量使用。 ５ 結(jié)論 將本文中所提出的新檢測(cè)方案與舊有的在線式檢測(cè)方案相比較可知，在許多方面都存在著優(yōu)越性，有利于大型光伏系統(tǒng)效率的提高： １ 新方 案中，兩個(gè)蓄電池模塊輪流充放電使太陽電池板總的等效閑置時(shí)間減少，利用率有所提高。 ２ 方案中對(duì)蓄電池端電壓的判斷更加準(zhǔn)確，使得 “ 過充 ” 、 “ 過放 ”的可能性減小，這將直接影響到蓄電池的使用壽命。 ３ 蓄電池作為光伏系統(tǒng)中最易損壞的環(huán)節(jié)，由于蓄電池的壽命提高，光伏系統(tǒng)的壽命會(huì)因此而得到延長(zhǎng)，相對(duì)成本也會(huì)因此而降低。 第 43 頁 共 221 頁 太 陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷解決方案 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種新興的發(fā)電系統(tǒng)目前國(guó)家尚沒有一個(gè)單獨(dú)、嚴(yán)格的規(guī)范來明確應(yīng)該如何進(jìn)行電站避雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)各個(gè)單位的光伏電站避雷系統(tǒng) 設(shè)計(jì)僅僅依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB5005794）及電力系統(tǒng)有關(guān)避雷設(shè)計(jì)的規(guī)范來進(jìn)行比照設(shè)計(jì)，結(jié)果使最終的設(shè)計(jì)差異較大。 雷電主要通過三種方式對(duì)地面物體形成災(zāi)害，即：直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入，一般在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)分別對(duì)其加以防范。但是，由于防雷設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)兩方面的因素，因此，應(yīng)根據(jù)不同的類別采取不同的防雷措施才較為合理。 太陽能光伏電站防雷類別的界定是一件比較困難的事情，如果將機(jī)房建筑物作為主要防護(hù)對(duì)象，由于電站機(jī)房高度通常不大于 5 米，故按照《建筑物防雷設(shè) 計(jì)規(guī)范》可以不考慮設(shè)防；如果鈄光伏電站作為一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)范相對(duì)照也很難得出一個(gè)完整的結(jié)論，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)只針對(duì)大型電站（水電、火電站等）、幾千伏 ~上百千伏輸變電系統(tǒng)等提出了明確的防雷要求，對(duì)于小型電站及低壓輸電線路只要求考慮防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入，并未要求必須架設(shè)避雷針防直擊雷。我們目前建設(shè)的光伏電站應(yīng)屬于小型發(fā)電站（幾千瓦 ~幾十千瓦）和采用低壓輸電線路的發(fā)電系統(tǒng)，這樣可以明確一點(diǎn)，即光伏電站在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入。但是，是否應(yīng)當(dāng)架設(shè)避雷針防止直擊雷對(duì)光伏電站的傷害 ，還無法從現(xiàn)有的各種規(guī)范中得出明確的結(jié)論。 如果在光伏電站中設(shè)計(jì)避雷針，其目的的主要是為了保護(hù)太陽電池陣列，這是因?yàn)槠涑杀据^高，是光伏電站的關(guān)鍵部分。為了滿足保護(hù)半徑的要求，針體高度絕大部分在24— 30 米左右，而且每站需要兩根。避雷針體型龐大，使得在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)安裝電站的施工難度增大；受機(jī)房與陣列間場(chǎng)地的限制，避雷針位置距離太陽電池陣列、機(jī)房較近，存在雷電反擊的隱患。 在我國(guó)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB5005794）中，非建筑類露天堆場(chǎng)是否安裝避雷針有明確的規(guī)定，即：當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù) N≥ 次 /a 時(shí)，宜設(shè)置獨(dú)立避雷針防直擊雷。太陽電池陣列也不屬于建筑物，其可能宜受雷擊的直接原因就是因?yàn)檎嫉孛娣e較大，增加第 44 頁 共 221 頁 了其宜受雷擊的可能性。因此，本設(shè)計(jì)針對(duì)各省無電鄉(xiāng)所在地區(qū)，將年平均雷暴日數(shù) Td 及太陽電池陣列占地面積（ 50Kwp 光伏電站）作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了不同地區(qū)光伏陣列年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù) N。 太陽能系統(tǒng)綠化通信基站 由于村村通工程的大部分地區(qū)自然條件惡劣，現(xiàn)有電網(wǎng)不完善或者無市電可用，太陽能電源系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)開始得到較大發(fā)展。太陽能技術(shù)在通信基站的廣泛應(yīng)用不僅有助于節(jié)約資源，還有助于通信網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模覆蓋。 目前，國(guó)內(nèi)的太陽能電源系統(tǒng)大部分為離網(wǎng)型供電系統(tǒng)，大部分太陽能控制器控制功能簡(jiǎn)單，主要存在以下問題：系統(tǒng)利用效率低，不能讓太陽能電池組件輸出最大功率；對(duì)蓄電池的充放電管理功能較差，蓄電池運(yùn)行壽命短；控制器對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理功能較差；系統(tǒng)為非模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)容改造難度大。以上問題是否可以得到有效解決，是否能夠提高太陽能系統(tǒng)的利用效率，實(shí)現(xiàn)太陽能組件在不同使用條件下的最大功率輸出，這對(duì)太陽能電源系統(tǒng)的發(fā)展極其重要。 在上世紀(jì) 80年代，晶體硅太陽能電源步入快速發(fā)展階段，具備 MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤太陽能控制器） 功能的直流－直流變換穩(wěn)壓型控制器應(yīng)運(yùn)而生。最近幾年，電力電子技術(shù)快速發(fā)展，直流－直流變換模塊的工作效率可以達(dá)到 94%以上，如果提高輸入電壓，工作效率還可以進(jìn)一步提升。隨著電子元器件的技術(shù)成熟，在可靠性方面也大大提高，室外型開關(guān)電源等設(shè)備都得到了很好的應(yīng)用。同時(shí)，直流－直流變換型功率模塊的功率密度大幅提高，體積也大大縮小。但國(guó)內(nèi)的太陽能光伏電源應(yīng)用規(guī)模偏小，而且主要以離網(wǎng)型為主，太陽能電池的 MPPT功能一直未受到重視而得不到發(fā)展。 在目前的技術(shù)條件下，具備 MPPT 功能的直流－直流變換穩(wěn)壓型控制器與蓄電池穩(wěn) 壓型控制器相比，可以節(jié)約 8%～ 12％的太陽能電池組件，與之相關(guān)的運(yùn)輸、安裝等配套費(fèi)用都可以節(jié)省。在全球，綠色、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一致目標(biāo)，進(jìn)入 21 世紀(jì)以后，晶體硅太陽能電源已經(jīng)步入了快速發(fā)展階段。具備 MPPT 功能的直流－直流變換穩(wěn)壓型控制器在各方面發(fā)展條件均已具備，應(yīng)當(dāng)?shù)玫酱罅ν茝V和支持。 目前，通信行業(yè)的太陽能電源系統(tǒng)均為離網(wǎng)型系統(tǒng)，建站地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，安第 45 頁 共 221 頁 裝、維護(hù)難度大，因而除了盡量降低太陽能電源系統(tǒng)的初期建設(shè)成本以外，也應(yīng)考慮降低其運(yùn)行維護(hù)成本。而傳統(tǒng)的蓄電池穩(wěn)壓型控制器在這兩方面均存在嚴(yán)重不足。 通過以上分析，具備 MPPT 功能的太陽能控制器可以解決這些問題，通過優(yōu)化和發(fā)展，太陽能控制器的技術(shù)水平可以進(jìn)一步得到提升。以下是對(duì) MPPT型控制器在今后技術(shù)發(fā)展方面的一些建議。 首先是優(yōu)化 MPPT 技術(shù)。目前，比較常用的 MPPT 技術(shù)有：定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和模糊控制算法等。 MPPT 電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單可靠、避免震蕩、提高可靠性，實(shí)現(xiàn)高效率的跟蹤。實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出，可以減少大量初期投資、降低建設(shè)成本。 其次是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，提高可維護(hù)性。通信用高頻開關(guān)組合電源在通信行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，可靠性高，價(jià)格低廉 。太陽能控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以參照?？刂破鞯母魍ǖ缿?yīng)分別采用獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)置一個(gè)監(jiān)控模塊，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管理；在監(jiān)控模