【正文】 10WSUMYOKSYK20036P多晶硅夏普SY40p多晶硅輸出功率20W250W230W210W200W40W工作電壓36V18V工作電流開路電壓36V36V短路電流價格(元/瓦)外形尺寸(mm)480*357*251635*991*501640*990*351580*1069*401650*992*35668*546*35重量(kg)18182019目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池多為硅材料太陽電池，其中包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。圖21 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及工作原理這是一種P－N型硅太陽電池，它的基體材料為P型單晶硅，上表面層為N型層，是受光層，它和基體在交界面處形成一個P－N結(jié)。硅太陽電池的工作原理為：對于半導(dǎo)體材料而言，當(dāng)其中的P－N結(jié)處于平衡狀態(tài)的時候，在P－N結(jié)處會形成一個耗盡層，存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢壘電場。因此，當(dāng)能量大于禁帶寬度的光子進入電池的N區(qū)和P區(qū)中時，會激發(fā)產(chǎn)生光生電子－空穴對。在N區(qū)和P區(qū)中產(chǎn)生的光生電子－空穴對會向PN結(jié)交界面處擴散，當(dāng)達到勢壘電場邊界時，立即受到勢壘電場的作用，使光生電子留在N區(qū)，光生空穴留在P區(qū)。最后就形成了N區(qū)中積累了剩余的電子，P區(qū)中積累了剩余的空穴，而在PN結(jié)兩側(cè)形成了與勢壘電場方向相反的光生電動勢。由于光伏電池的輸出與外界的光照強度和環(huán)境溫度呈非線性，分析時需要將陣列轉(zhuǎn)化為其等效電路，圖22是光伏電池等效電路，其中是串聯(lián)電阻，它是構(gòu)成光伏電池的半導(dǎo)體體電阻和電極電阻等電阻的和；是漏電阻。由于太陽板前表面和背表面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，電流經(jīng)過負(fù)載時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的等效為一個串聯(lián)電阻；同時，由于電池邊沿的漏電阻，在電池的劃痕、微裂痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種作用可等效為一個并聯(lián)電阻。將以上式子整理后得到： （）光伏電池產(chǎn)生的瞬時電能主要取決于幾個電池參數(shù)和變量的環(huán)境條件，如日照強度和溫度。在這種模式下的電流源，可以通過下面表達式表示： （）其中是一個給定的曝曬下的電流；是電池反向飽和電流；和因子A看成理想的pn結(jié)特性的電池偏差，值在的1－5之間。在圖23中，是一個特定的光伏電池的電氣特性。圖24所示，可以觀察到的大氣條件下MPOP對系統(tǒng)的影響。在光伏電池陣列中，： （）其中代表并行模塊的數(shù)量，由串聯(lián)的電池構(gòu)成。 環(huán)境因素對太陽能電池輸出特性的影響當(dāng)光伏電池的溫度發(fā)生變化時，其伏安特性和輸出性能會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。其轉(zhuǎn)換效率隨著工作溫度的升高而降低。研究表明，光伏電池的溫度每升高 1，%。由此可以看出，溫度對光伏電池性能的影響不容忽視。圖23不同溫度下光伏電池的 圖24不同溫度下光伏電池的IV 曲線(光照恒定) PV 曲線(光照恒定)輻照強度對光伏電池功率的影響是很明顯的。分析可見，在利用光伏陣列發(fā)電時，往往需要采用一定的技術(shù)和設(shè)備以提高電池表面的輻照強度，使得系統(tǒng)的輸出功率增大。通過一定的控制手段，使光伏電池根據(jù)外界環(huán)境光照強度和工作溫度不斷調(diào)整工作點，使自身始終工作于最大功率點處，稱之為最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking， MPPT)。圖27光伏系統(tǒng)MPPT原理如圖 27 所示，通過改變 DC/DC 變換裝置的占空比以實現(xiàn)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率，進而改變光伏電池的工作點，光伏電池輸出電壓值的大小直接受占空比變化的影響。我們可以將光伏電池看作內(nèi)阻會隨環(huán)境不斷變化的直流電源，而 DC/DC 變換器改變占空比相當(dāng)于改變負(fù)載的等效阻抗。 最大功率跟蹤控制方法最大功率跟蹤控制方法有很多，其中許多已經(jīng)得到實際應(yīng)用并在實踐中不斷加以改進。1． 擾動觀察法擾動觀察法是目前比較常用的一種最大功率追蹤方法。擾動觀察法的控制流程如圖 28 所示。但是，擾動觀測法仍存在需要改進的地方：在到達最大功率點時，此控制算法下的系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作于該最大功率點處，而只能在最大功率點附近來回振蕩，造成了功率損失。2．恒定電壓法 從圖 28中的 PV 關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)光伏電池的工作溫度基本恒定時，輸出功率曲線的最大功率點處于一個較小的輸出電壓范圍內(nèi)，說明光伏陣列的最大功率點基本對應(yīng)于某一恒定電壓值，因此，恒定電壓法(CVT)的控制策略就是使光伏電池的輸出電壓穩(wěn)定在該電壓值處不變，使之可以近似認(rèn)為工作在最大功率點處。因此一些需要嚴(yán)格控制成本的小型光伏系統(tǒng)可以應(yīng)用該算法，比如目前應(yīng)用廣泛的太陽能路燈系統(tǒng)。由圖 25 可以看出，光伏電池的伏安特性不僅僅與光照強度有關(guān)，還會受到電池溫度的影響。嚴(yán)格來說，CVT 跟蹤法只是對 MPPT 控制的近似，不存在對光伏電池的實時檢測和控制，因此受自身工作狀態(tài)和環(huán)境的影響很大。3． 電導(dǎo)增量 由光伏電池的 PV 曲線可以看出，對于光伏電池的輸出功率函數(shù)，如果 ，則此時系統(tǒng)工作最大功率點處；若，則系統(tǒng)工作于最大功率點左側(cè)；若 ，則系統(tǒng)工作在最大功率點右側(cè)。和擾動觀察法相比，該算法對電壓的調(diào)整不再像擾動觀察法那樣具有盲目性、隨機性，而是通過每次的測量和比較，計算出最大功率點的輸出電壓，之后再對工作點進行調(diào)整。查表法簡單可靠，反應(yīng)速度很快，但它需要事先了解光伏陣列安裝地點的光照和溫度因素，通用性不強，且在系統(tǒng)設(shè)備老化后原表單數(shù)據(jù)會逐漸失準(zhǔn)，靈活性差。光伏陣列的PV曲線是一個非線性函數(shù)，且只有一個極點，即最大功率點。 模糊控制：光伏系統(tǒng)中的許多參數(shù)是難以精確測量的，實際操作時很難建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。把光伏陣列的系統(tǒng)輸出功率相對于電壓的變化量作為模糊邏輯的輸入量，進行模糊化處理后利用專家經(jīng)驗進行判斷，從而得到一個隸屬度，將該隸屬度進行反模糊化處理后調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器，從而實現(xiàn)系統(tǒng)最大功率輸出。綜合上述方法特點，結(jié)合南寧的天氣不會發(fā)生光照強度和溫度快速劇烈變化的情況，本文設(shè)計使用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率跟蹤。第三章 儲能系統(tǒng)的分析設(shè)計 蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池輸出功率隨太陽輻射強度的變化而變化。在白天，太陽輻射強度大的時候，太陽能電池輸出功率大；在陰雨天或夜間，太陽輻射強度很小，太陽能電池輸出功率隨之很小或者沒有功率輸出。目前獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能部件一般采用蓄電池。由于白天和黑夜的交替出現(xiàn)，另外，陰雨、大霧等天氣條件的限制，太陽光的照射強度變化較大，同時輻射也是不連續(xù)的。(2)穩(wěn)壓和鉗位作用。如果利用蓄電池給負(fù)載供電，對太陽能電池和負(fù)載起到了隔離作用，消除了電壓變化對負(fù)載的影響，使負(fù)載穩(wěn)定在最佳工作點附近，從而提高了整個系統(tǒng)的效率。由于很多電機類設(shè)備在啟動時需要大的啟動電流，通常是額定工作電流的51O倍，然而受到最大短路電流和太陽光輻照強度的限制，光伏電池陣列可能無法滿足負(fù)載對于啟動電流的需求。蓄電池有不同類型和大小。還有一類可充電電池，稱為二次電池，例如：汽車起動用的鉛酸電池，手電筒、收音機使用的鎘鎳充電電池等。 蓄電池分為酸性蓄電池(即鉛酸蓄電池)和堿性蓄電池兩大類。表31列出了分類標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品系列種類。用鉛和二氧化鉛作為負(fù)極和正極的活性物質(zhì)（即參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)），以濃度為27%～37%的硫酸水溶液作為電解液的電池，稱為鉛蓄電池（俗稱。）。同時隨著工藝技術(shù)的提高，鉛蓄電池的使用壽命也在不斷提高。密封式鉛酸電池，維護簡便，運輸方便，但價格較貴，一般是開口鉛電池的2～3倍。（2）堿性蓄電池。堿性蓄電池與鉛蓄電池相比具有體積小，可深放電，耐過充和過放電，以及使用壽命長，維護簡單等優(yōu)點。同低成本的鉛電池比較，鎘鎳電池初始成本比鉛電池高4～5倍，因此在光伏系統(tǒng)中較少采用。用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池與普通蓄電池有一定的差異，與光伏電池配套使用的蓄電池充放電非常頻繁，充放電電流隨外部條件的變化而不斷變化，使得蓄電池的實際使用壽命比在常規(guī)條件下大大縮短，蓄電池的故障在整個系統(tǒng)故障中所占的比重也非常大。鑒于負(fù)載特點和小型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，本文系統(tǒng)選用閥控式密封免維護鉛酸蓄電池(Valve Regulated Lead—Acid Battery， VRLA)作為儲能元件。以下是市場上幾種鉛酸蓄電池的特性參數(shù)情況表32 AISTAR蓄電池品牌：AISTAR型號：12V38AH化學(xué)類型：鉛酸蓄電池電壓：12（V）類型：儲能用蓄電池荷電狀態(tài)：干放電態(tài)蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池額定容量：38Ah外型尺寸：165*195*175（mm）產(chǎn)品認(rèn)證：CE適用范圍：太陽能蓄電池蓄電池價格：350元/個表33 風(fēng)帆蓄電池品牌：風(fēng)帆型號：6QA195AH類型：起動型蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：排氣式蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池額定容量：195Ah荷電狀態(tài)：帶液充電態(tài)蓄電池電壓：12（V）蓄電池價格：1100元/個產(chǎn)品認(rèn)證：CCC表34 賽格威蓄電池品牌：賽格威類型：儲能用蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)：免維護蓄電池電壓：12（V）型號：12V55AH外型尺寸：228*137*210(225)（mm）額定容量：55Ah產(chǎn)品認(rèn)證：ISO9001 CE適用范圍：安防防盜報警主機，門禁控制器，電梯控制器，ATM自動取款機后備電池等蓄電池價格：310元/只表35 WESD蓄電池品牌：WESD荷電狀態(tài)：免維護蓄電池類型：儲能用蓄電池型號：WD10012電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池電壓：12（V）額定容量：100Ah適用范圍：UPS蓄電池產(chǎn)品認(rèn)證：CE蓄電池價格：560元/個表36 昕能蓄電池品牌：昕能型號：12V40AH電壓：12（V）化學(xué)類型：鉛酸蓄電池類型：儲能用蓄電池荷電狀態(tài)：免維護蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池外型尺寸：195*164*176（mm）額定容量：40Ah產(chǎn)品認(rèn)證：CQC蓄電池價格：370元/個 SOC 估計及其容量的計算鉛酸蓄電池工作原理 鉛酸蓄電池由正、負(fù)極板(活性物質(zhì))和電解液組成。正常充放電化學(xué)方程式為：正極： （）負(fù)極： （） 總反應(yīng)： （）圖31 閥控密封式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)當(dāng)鉛酸蓄電池在充電時，正極由轉(zhuǎn)化為肋后，電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能，然后儲存在正極板中；而負(fù)極的硫酸鉛()轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛()，然后電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能儲存在負(fù)極板中，完成了蓄電池的充電。鉛酸蓄電池在充電過程的后期，一部分水會被電解而生成氫氣和氧氣，一般的開口式鉛酸蓄電池在長期的使用過程中存在水的消耗問題，閥控式鉛酸蓄電池在充電時正極板上產(chǎn)生的氧氣，通過化合反應(yīng)在負(fù)極板上還原成水，使用時在規(guī)定浮充壽命期內(nèi)不必加水維護，所以又稱為免維護鉛酸蓄電池。蓄電池容量一般以充足電后的蓄電池，放電至其端電壓到終止電壓時，電池所放出的總電量。在蓄電池的使用過程中，它的容量不是一個恒定不變的數(shù)值，可分為理論容量、實際容量和額定容量。實際容量是指電池在一定條件下能輸出的電能，低于理論容量。 （）(2)荷電狀態(tài)鉛酸蓄電池某一時刻t的荷電狀態(tài)SOC指該時刻蓄電池實際容量Q(f)與額定容量Q的比值，用來反映蓄電池在放電過程中還可以繼續(xù)釋放出多少電能。 （）(4)放電率蓄電池的放電率可以通過“小時率”和“電流率”兩種表示方式。(5)轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率是指蓄電池能放出的全部電能與充滿電所耗的全部電量的比值，有：“安時效率”和“瓦時效率”兩種表示方法。(6)壽命蓄電池經(jīng)過長期使用，充放電次數(shù)的增加，會使其容量逐漸減小，如果蓄電池充滿電后的容量小于規(guī)定的最小容量也就是終結(jié)容量，就表示蓄電池的使用壽命己經(jīng)終結(jié)。 光伏系統(tǒng)對蓄電池性能要求分析1．光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作條件在光伏電站使用環(huán)境中，光照條件好時（白天），太陽能電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分直流和交流負(fù)載工作，另一部分供給蓄電池充電；光照條件不好時（夜晚或陰雨天），太陽能電池組件無法工作，蓄電池組供電，供給直流或交流負(fù)載，蓄電池是處于循環(huán)狀態(tài)，所以，在這種使用環(huán)境下，蓄電池的壽命為循環(huán)壽命。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點：（1）充電率非常小， 由于成本，位置空間等問題，太陽電池投入數(shù)量會受到很大的限制，為了保證電力系統(tǒng)的正常使用，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限，～。（3）由于受到自然資源的限制，蓄電池有在有日照時才能充電：即充電時間受到限制。2．光伏發(fā)電系統(tǒng)對VRLA蓄電池的性能要求　　光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復(fù)續(xù)循環(huán)中，由于日照的不穩(wěn)定性，過充電和深放電的不利情況時有發(fā)生，加之光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分在西部地區(qū)使用，海拔都在2500M以上。在一定環(huán)境溫度范圍放電時，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。低溫（5℃）時，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容