【正文】 參考文獻(xiàn)[1] 黃漢云. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用原理[M]. 北京電子工業(yè)出版社2009. [2] 曹振華；孔海穎. 電路設(shè)計(jì)教程第一版[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社2007 [3] 歐陽(yáng)名三；梁?jiǎn)?；姜媛媛；王賓. DSP原理與技術(shù)第一版[M].合肥合肥工業(yè)大學(xué)出版社2009. [4] 沈輝；曾祖勤. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社2005. [5] 楊金煥；于化叢；葛亮. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京電子工業(yè)出版社, 2009.[6] 吳忠軍. 基于DSP的太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)?；旌蟽?chǔ)能的控制方案也需要大量的實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。文中提到的蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略，也只是個(gè)簡(jiǎn)單介紹一下，沒(méi)能實(shí)際應(yīng)用。由于本人自身的理論水平、實(shí)踐能力以及實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的有限，設(shè)計(jì)中存在以下問(wèn)題需要進(jìn)一步解決：(1)選用的實(shí)例簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性方面還需要做進(jìn)一步的補(bǔ)充和改進(jìn)；融合閉區(qū)間套的干擾觀察法的研究還有待于進(jìn)一步完善，提高其應(yīng)用價(jià)值。本文主要論述的是光伏儲(chǔ)能及其充放電及計(jì)算，文中所用的計(jì)算方法并不是唯一的，但也希望能為光伏發(fā)電系統(tǒng)能在人們生活中大規(guī)模應(yīng)用做點(diǎn)貢獻(xiàn)，畢竟光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)和利用離不開(kāi)理論知識(shí)，更離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，當(dāng)然重要的還是實(shí)踐。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)在社會(huì)生產(chǎn)中將得到大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用，能源戰(zhàn)略也將逐漸以太陽(yáng)能為主體，未來(lái)對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)越來(lái)越精密。（2）對(duì)常用的MPPT方法進(jìn)行了分析與比較，選擇了干擾觀察法（3）本文圍繞對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池和蓄電池的設(shè)計(jì)，對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)中的幾個(gè)部分進(jìn)行了理論分析和研究，主要包括光伏電池陣列、蓄電池及其充放電計(jì)算。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能草坪燈系統(tǒng)容量參數(shù)的計(jì)算這一簡(jiǎn)單的實(shí)例，反映光伏發(fā)電在人們生活中的利用，并通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)中所需光伏電池功率和蓄電池容量及其充放電，得出：光伏發(fā)電系統(tǒng)中要根據(jù)負(fù)載要求、蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等情況來(lái)確定光伏系統(tǒng)所需要的功率，另外在選取蓄電池時(shí)，也應(yīng)該根據(jù)太陽(yáng)能電池功率的大小和負(fù)載情況來(lái)選用不同的種類(lèi)的充電電池和蓄電池，光伏電池和蓄電池應(yīng)該合理配接。選取了TI公司的TMS320F2812作為系統(tǒng)控制核心，研究并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主電路拓?fù)?，?duì)電源模塊、信號(hào)采集模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的光伏電池和蓄電池進(jìn)了參數(shù)計(jì)算和選型?？稍试S輸出電壓的最大波動(dòng)范圍，則有 （）選用的200輸出電壓為100V的電容。h，這些能量全部?jī)?chǔ)存在蓄電池中，即充電完成后，蓄電池組的實(shí)際容量為： （）已知四盞LED的額定功率為15W，額定電壓為48V，每天照明時(shí)長(zhǎng)為10h，則額定電流為：I＝15W/48V=，可求出電路中的總電流，即蓄電池放電電流。由圖32可知，太陽(yáng)能電池板發(fā)電時(shí)間為8h，故蓄電池充電時(shí)間為8h。這樣負(fù)載的日耗電量為： （）配置要能夠滿足最長(zhǎng)供電要求，蓄電池容量應(yīng)該不小于： （）綜合上述和各方面因素，且負(fù)載給定額定電壓為48V，本文選用昕能牌固定型，型號(hào)為：12V40AH的 VRLA蓄電池(參數(shù)如下)，4個(gè)串聯(lián)成端電壓48V的蓄電池組。(4)，DOD為50％。(2) ：本文中選用VRLA蓄電池，當(dāng)放電深度小于50％時(shí)，放電率達(dá)到95％。h （）蓄電池的理論容量為： （）則實(shí)際蓄電池的容量以上蓄電池容量的計(jì)算公式為： （）式中：蓄電池容量(Ah)；放電效率修證系數(shù)；蓄電池溫度修正系數(shù)；最長(zhǎng)連續(xù)無(wú)同照天數(shù)；放電深度；負(fù)載線路損耗修正系數(shù)；負(fù)載同耗電量(Ah)。南寧市的緯度為，因此本系統(tǒng)中的光伏方陣傾角粗略定為。緯度與傾角關(guān)系如圖42所示。因?yàn)橛?jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，需要借助計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。對(duì)于為均衡性負(fù)載供電的獨(dú)立式光伏系統(tǒng)方陣的最佳傾角，要綜合考慮全年方陣上收到太陽(yáng)輻照量的均衡性和極大性等因素，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，在滿足負(fù)載用電要求的條件下，比較各種不同的傾角所配置的太陽(yáng)電池方陣和蓄電池容量的大小，才能得到最節(jié)約成本的方陣傾角。表4－1 夏普SY40p特性參數(shù)最大功率40W短路電流最優(yōu)工作電壓18V轉(zhuǎn)化效率%最優(yōu)工作電流填充因子71%開(kāi)路電壓參考重量?jī)r(jià)格(元/瓦）外形尺寸668*546*35（mm）本系統(tǒng)需要三塊夏普太陽(yáng)能電池板/組件串接以滿足系統(tǒng)的的功率需求。(5) ：蓄電池充放電轉(zhuǎn)換效率；本文中采用閥控式鉛酸蓄電池，當(dāng)放電深度小于50％時(shí)其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95％以上。這樣負(fù)載的日耗電量為： （）(3) ：電源系統(tǒng)損耗修正系數(shù)；主要是考慮主電路開(kāi)關(guān)的損耗，按損耗10％計(jì)算。(1)，結(jié)合南寧的地理緯度，有效光照時(shí)間所以保守估計(jì)為8小時(shí)，即H=8。一般生產(chǎn)商對(duì)其生產(chǎn)的光伏電池產(chǎn)品所標(biāo)稱的功率參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下（同照強(qiáng)度1000、大氣質(zhì)量AMl電池結(jié)溫為25）光伏電池輸出功率峰值。 LED草坪燈照明時(shí)間為每天從晚上8點(diǎn)到早上6點(diǎn)，時(shí)長(zhǎng)為10小時(shí)。選用光伏電池的首要問(wèn)題是根據(jù)負(fù)載要求、蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等情況來(lái)確定光伏系統(tǒng)所需要的功率，即計(jì)算所需光伏電池的輸出功率。3. 電池組件正常情況應(yīng)朝向南方。 2. 了解光伏系統(tǒng)供應(yīng)負(fù)載的詳細(xì)情況。在開(kāi)始系統(tǒng)設(shè)計(jì)前必須做好設(shè)計(jì)勘察工作,主要包括以下內(nèi)容: 1. 獲取光伏系統(tǒng)所在地的太陽(yáng)能資源和氣候狀況的數(shù)據(jù)，包括當(dāng)?shù)鼐暥?經(jīng)度和海拔情況。此時(shí)負(fù)載兩端的電壓U等于電源電壓E和電感L的自感電動(dòng)勢(shì)的和。（a）S導(dǎo)通時(shí)的左側(cè)電路圖 （b）S導(dǎo)通時(shí)右側(cè)電路圖圖46 S導(dǎo)通時(shí)等效電路圖當(dāng)開(kāi)關(guān)管S轉(zhuǎn)為關(guān)斷工作狀態(tài)時(shí)，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，整個(gè)回路如圖47所示。左側(cè)回路如圖46(a)所示，右側(cè)回路如圖46(b)所示。在開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷期間，電感和電源一起對(duì)電阻R放電，同時(shí)給電容充電。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖45所示。IPM是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件，它將開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，且內(nèi)藏過(guò)電壓、過(guò)電流、短路等檢測(cè)和保護(hù)電路，具有高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)使用雙向DC/DC變換電路以實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電優(yōu)化控制策略。蓄電池和超級(jí)電容分別由一個(gè)繼電器控制接入和切斷。如圖44 所示，它通過(guò)在MOSFET上反并聯(lián)的二極管，使得整個(gè)變換器具有了雙向?qū)üδ?。其中DC/DC變換器采用Boost電路，主要用于調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓使之工作于最大功率點(diǎn)；DC/AC變換器采用的是電壓型單相全橋逆變器。在高精度伺服控制、可變頻電源、UPS 電源以及電力電子技術(shù)等方面具有廣泛的應(yīng)用。光伏系統(tǒng)控制核心選用TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理器：TMS320F2812。MOSFET用于控制電路與主電路進(jìn)行強(qiáng)、弱電隔離，由于主電路中的兩處MOSFET功能要求不同，因此需要采用不同的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其驅(qū)動(dòng)。電路設(shè)計(jì)主要是完成對(duì)功率開(kāi)關(guān)管MOSFET的選擇以及儲(chǔ)能電感L和濾波電容C的計(jì)算與選擇。采用80C196KC芯片作系統(tǒng)主控制器，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入的數(shù)字信號(hào)；調(diào)節(jié)占空比，生成PWM信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)電路。第四章 光伏儲(chǔ)能及充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光伏儲(chǔ)能及充放電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖41所示，主要有太陽(yáng)能光伏電池、Boost變換電路、主控制器、A/D轉(zhuǎn)換回路、驅(qū)動(dòng)電路、蓄電池和負(fù)載七部分組成。圖34儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析了蓄電池的工作原理以及蓄電池參數(shù)與容量的計(jì)算，分析光伏系統(tǒng)對(duì)蓄電池的性能要求，對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的性能進(jìn)行了對(duì)比，分析了混合儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)和可行性。 系統(tǒng)控制部分在設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)是使蓄電池長(zhǎng)期保持在較高荷電狀態(tài)，減少蓄電池充放電循環(huán)的次數(shù)。整個(gè)獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的成本所占的比重較大，充電環(huán)境不佳會(huì)縮短蓄電池的壽命，使蓄電池更換周期變短，進(jìn)而增加系統(tǒng)的總成本。 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 34所示，光伏電池首先通過(guò)一個(gè) DC/DC 變換電路，用以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)控制。雖然生產(chǎn)成本不斷下降，目前超級(jí)電容的成本依然較高，不適合獨(dú)立承擔(dān)大容量的存儲(chǔ)。表 37 蓄電池與超級(jí)電容性能對(duì)比蓄電池超級(jí)電容功率密度W()3001000－10000能量密度E()10－2001－10循環(huán)壽命300－2000500000充放電效率75%－90%90%工作環(huán)境0－70 60－90 充電時(shí)間－30s放電時(shí)間－30s注：1Wh=3600J超級(jí)電容也存在一些不足。蓄電池的充放電時(shí)間較長(zhǎng)，一般在數(shù)小時(shí)以上，而超級(jí)電容則可以在30s內(nèi)完成整個(gè)充放電過(guò)程。為等效并聯(lián)電阻，是電容產(chǎn)生漏電流的原因，它影響著超級(jí)電容長(zhǎng)期儲(chǔ)能的表現(xiàn)。而超級(jí)電容的面積是基于多孔炭材料，這樣的多孔結(jié)構(gòu)使其等效的極板面積可以達(dá)到幾千平方米/克，這正是超級(jí)電容擁有超大容量原因。 蓄電池 超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng) 混合儲(chǔ)能性能分析 超級(jí)電容器(EDLC)也稱作法拉電容，是指利用活性炭和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)的大容量電容。浮充電：，該階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，此時(shí)標(biāo)志著充電過(guò)程結(jié)束。在恒壓充電過(guò)程中，隨著蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，充電電流逐漸減小，即恒壓充電時(shí)，保持充電電壓不變，充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流下降到恒流狀態(tài)下充電電流的1/，終止恒壓充電。蓄電池進(jìn)入恒壓充電階段。對(duì)于額定電壓12V容量為C的蓄電池三個(gè)階段充電電壓、電流曲線如圖32所示：圖32 充電曲線原理圖恒流充電：，采用恒流充電。以上兩種充電方式會(huì)在充電的開(kāi)始或結(jié)束階段對(duì)蓄電池產(chǎn)生不利影響。這種充電方法只考慮電池電壓這一單一狀態(tài)的變化，不能有效的反映電池的整體充電狀況它的起始充電電流過(guò)大，往往造成蓄電池的損壞。蓄電池的電化學(xué)原理不是本論文所要研究的主要內(nèi)容，掌握蓄電池充電電壓、電流外部特性，就可展開(kāi)對(duì)光伏充放電控制器的設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。蓄電池是整個(gè)光伏系統(tǒng)能量的存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)合理的充電控制盡可能延長(zhǎng)其使用壽命是光伏充放電控制器最主要的目的之一。由于解液的溫度降低時(shí)，其粘度增加，這樣滲入極板內(nèi)部比較困難，極板內(nèi)的活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速度減慢，從而使蓄電池容量減小。綜合考慮電解液密度對(duì)容量的影響，~。適當(dāng)?shù)募哟箅娊庖旱拿芏?，可以提高蓄電池電解液的滲透速度的蓄電池的電動(dòng)勢(shì)，延長(zhǎng)了蓄電池的放電時(shí)間，從而提高了蓄電池的容量。根據(jù)蓄電池放電原理可知，在大電流放電的情況下，蓄電池正負(fù)極板表面上的活性物質(zhì)的空隙會(huì)被生成的硫酸鉛堵塞，這樣外部的硫酸就難以滲入孔隙，而極板內(nèi)層的活性物質(zhì)不能參加化學(xué)反應(yīng)，因此放電電流越大，則放電的時(shí)間就會(huì)越短，蓄電池的容量就越小。即以25℃為基準(zhǔn)，每升高10℃，其使用壽命縮短一半。其次低溫還會(huì)導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在10℃環(huán)境溫度下放電時(shí)，負(fù)極板容量?jī)H達(dá)35%額定容量。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過(guò)一定溫度范圍，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。因此，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池有如下要求：　　 （1）具有深循環(huán)放電性能，充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)；　　（2）耐過(guò)充電能力強(qiáng)；　?。?）過(guò)放電后容量恢復(fù)能力強(qiáng)；　?。?）良好的充電接受能力；　?。?）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時(shí)，電解液不易分層；　?。?）具有免維護(hù)或少維護(hù)的性能；　?。?）應(yīng)具備良好的高、低溫充放電特性；　?。?）能適應(yīng)高海拔（海拔都在2500M以上）地區(qū)的使用環(huán)境；　?。?）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。（4）不能按給定的充電規(guī)律對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。（2）放電率非常小，太能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到最大負(fù)載容量，最長(zhǎng)后備時(shí)間，配置的蓄電池容量較大，而實(shí)際使用過(guò)程中負(fù)載相對(duì)設(shè)計(jì)負(fù)載小得多，蓄電池放電率通常為C20～C240，或者更小。應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件和蓄電池應(yīng)用在其它場(chǎng)合的工作條件不同。蓄電池的壽命有兩種表示方法：浮充壽命，在規(guī)定浮充電壓和電解液溫度條件下使用的壽命，單位為“年”；循環(huán)壽命，達(dá)到其終結(jié)容量前的充放電循環(huán)使用次數(shù)，單位為“次”。 （）式4(6)中：—瓦時(shí)效率，—安時(shí)效率；：放電電壓，：電流平均值，：放電時(shí)間；：充電電壓，：電流平均值，：充電時(shí)間。小時(shí)率以規(guī)定的電流放完蓄電池額定容量所需要的時(shí)間來(lái)表示，又稱時(shí)率；電流率(倍率)是以蓄電池的額定容量與將全部容量放完所需時(shí)間的比值來(lái)表示。其計(jì)算公式： （）(3)放電深度鉛酸蓄電池的放電深度(Depth of Discharge，DOD)是蓄電池放出容量與額定容量的比值。而額定容量則是按國(guó)家或有關(guān)部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下，應(yīng)該放出的最低限度的容量值。根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高值稱為理論容量。當(dāng)鉛酸蓄電池以恒定電流放電時(shí)，其容量等于放電流與其持續(xù)放電時(shí)間的乘積 （）式中：表示容量()；表示放電電流(A)；t表示放電時(shí)間(h)。特性參數(shù)、SOC 估計(jì)及其容量的計(jì)算(1)