1 引言

       伴随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(kāi)發、利用太陽能作爲新能源成爲大(dà)勢所趨。太陽能發電(diàn)無需燃料，具有無污染、安全、無噪聲、運行簡單可靠、資(zī)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。光伏能源被認爲是二十一(yī)世紀最重要的新能源、可再生(shēng)的綠色能源。太陽能光伏發電(diàn)系統應用非常廣泛，依據應用的形式不同一(yī)般可分(fēn)爲兩大(dà)類：獨立光伏系統和并網光伏系統。其中(zhōng)獨立光伏系統應用相對廣泛，日常生(shēng)活中(zhōng)可見太陽能手電(diàn)筒、太陽能路燈、太陽能充電(diàn)器等均屬于此類系統。

       獨立光伏系統一(yī)般由四個基礎部分(fēn)組成：光伏電(diàn)池陣列、儲能系統（蓄電(diàn)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(zhōng)，蓄電(diàn)池的作用主要是儲存能量，在晚上或多雲等氣候情況下(xià)，光伏陣列不能提供足夠的能量時，蓄電(diàn)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(fēn)，也是對系統性能可靠性、系統成本影響最大(dà)的部分(fēn)之一(yī)。本文探讨如何在保證系統正常工(gōng)作、最大(dà)使用壽命、最大(dà)限度降低成本的情況下(xià)，爲獨立光伏系統選擇并确定參數合理、數量合适的蓄電(diàn)池。

2  蓄電(diàn)池的選擇

（1）方法

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

       蓄電(diàn)池種類很多，主要有鉛酸蓄電(diàn)池、锂離(lí)子蓄電(diàn)池、鎳氫電(diàn)池等。目前，由于産品技術的成熟性和成本等因素，一(yī)些小(xiǎo)型簡單的獨立光伏系統中(zhōng)使用鎳氫電(diàn)池，但應用較少；多數的獨立光伏系統中(zhōng)使用鉛酸蓄電(diàn)池，應用廣泛。國家還制定了GB/T22473-2008《儲能用鉛酸蓄電(diàn)池》标準，用以規範該類鉛酸蓄電(diàn)池産品的要求。本文以下(xià)的内容均以鉛酸蓄電(diàn)池爲基礎。

       蓄電(diàn)池的容量選擇與很多因素有關，主要有日負載需求、蓄電(diàn)池最大(dà)放(fàng)電(diàn)深度、獨立運行天數、安裝地環境溫度。

       獨立光伏系統的蓄電(diàn)池容量，要保證系統在太陽光照連續低于平均值的情況下(xià)負載仍可以在一(yī)定時間内持續正常工(gōng)作。在光照度低于平均值的情況下(xià)，太陽能電(diàn)池組件産生(shēng)的電(diàn)能，不能完全補充每日負載需求從蓄電(diàn)池中(zhōng)消耗能量而産生(shēng)的空缺，這樣蓄電(diàn)池就會處于虧電(diàn)狀态。如果在一(yī)定時間内光照度始終低于平均值，蓄電(diàn)池持續放(fàng)電(diàn)以供給負載的需要，蓄電(diàn)池的荷電(diàn)狀态持續下(xià)降。但是爲了避免蓄電(diàn)池的損壞，這樣的放(fàng)電(diàn)過程隻能允許持續一(yī)定的時間，直到蓄電(diàn)池的荷電(diàn)狀态到達安全的最低值，即蓄電(diàn)池的最大(dà)放(fàng)電(diàn)深度。這裏我(wǒ)(wǒ)們将持續放(fàng)電(diàn)時間稱爲：獨立運行天數，即光伏系統在沒有任何外(wài)來能源的情況下(xià)蓄電(diàn)池供給負載正常工(gōng)作的天數。

       獨立運行天數的确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(dà)連續陰雨天數）、負載對應用場合的重要程度。通常我(wǒ)(wǒ)們将光伏系統安裝地點的最大(dà)連續陰雨天數作爲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(yī)般考慮爲（7～14）天，相對應的電(diàn)池容量也需較大(dà)。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(diàn)池容量大(dà)小(xiǎo)可以根據實際情況确定。

       同時，由于鉛酸蓄電(diàn)池的額定容量會随着溫度的變化而變化（見圖2），當蓄電(diàn)池溫度下(xià)降時，蓄電(diàn)池的容量會下(xià)降，所以安裝地氣溫對确定蓄電(diàn)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(diàn)池容量就要比常溫條件下(xià)需要的蓄電(diàn)池容量大(dà)，才能保證在不影響蓄電(diàn)池使用壽命的情況下(xià)滿足負載的用電(diàn)需求。大(dà)多數鉛酸蓄電(diàn)池生(shēng)産企業一(yī)般會提供相關的蓄電(diàn)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(diàn)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(xià)獨立光伏系統蓄電(diàn)池容量計算公式：

                                                                日負載需求（Ah）×獨立運行天數        

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

                                                                     最大(dà)放(fàng)電(diàn)深度×容量修正系數

       蓄電(diàn)池串并聯的确定直接關系到單體(tǐ)蓄電(diàn)池數量的确定，依賴于系統工(gōng)作電(diàn)壓、單體(tǐ)蓄電(diàn)池标稱電(diàn)壓和容量以及計算出的系統的蓄電(diàn)池容量。

       系統工(gōng)作電(diàn)壓主要涉及到太陽電(diàn)池組件的輸出電(diàn)壓、控制器的額定工(gōng)作電(diàn)壓以及負載的工(gōng)作電(diàn)壓。通過單體(tǐ)蓄電(diàn)池的串聯來實現與系統工(gōng)作電(diàn)壓的匹配。系統串聯蓄電(diàn)池數量計算如下(xià)：

                                                                                         系統工(gōng)作電(diàn)壓

串聯單體(tǐ)蓄電(diàn)池數= ------------------------------                  （2）

                                                                                   單體(tǐ)蓄電(diàn)池标稱電(diàn)壓        

            

       單體(tǐ)蓄電(diàn)池的并聯數量由計算出的系統的蓄電(diàn)池容量除以單體(tǐ)蓄電(diàn)池容量得到。在實際應用當中(zhōng)，要盡量減少并聯數目，最好是選擇大(dà)容量的單體(tǐ)蓄電(diàn)池以減少所需的并聯數目。因爲并聯的單體(tǐ)蓄電(diàn)池在充放(fàng)電(diàn)的時候會發生(shēng)電(diàn)流不平衡現象。并聯的組數越多，發生(shēng)蓄電(diàn)池不平衡的可能性就越大(dà)。

（2）實例

       根據上述計算公式，用一(yī)個太陽能路燈系統作爲範例。假設該太陽能路燈光伏系統負載爲24V、60W的LED燈，每天工(gōng)作時間約爲10h。這是一(yī)個負載對電(diàn)源要求并不是很嚴格的系統，我(wǒ)(wǒ)們選擇6天的獨立運行天數，并使用深循環電(diàn)池，放(fàng)電(diàn)深度爲80％，單體(tǐ)蓄電(diàn)池标稱電(diàn)壓12V、額定容量200Ah。安裝地環境溫度爲15℃～25℃（假設該溫度下(xià)容量不需修正）。從而可得：

日負載需求：60×10/24=25(Ah)；

蓄電(diàn)池容量：6×25/0.8×1=187.5 (Ah)；

需要串聯的單體(tǐ)蓄電(diàn)池數：24V/12V=2（隻）；

需要并聯的單體(tǐ)蓄電(diàn)池數：187.5/200＝0.93，取整數爲1。

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

 

3 結語

一(yī)般情況下(xià)，在選定蓄電(diàn)池種類後，根據日負載需求、獨立運行天數、最大(dà)放(fàng)電(diàn)深度、安裝地氣溫等信息數據和上述計算公式，就可以選擇和确定獨立光伏系統蓄電(diàn)池的容量大(dà)小(xiǎo)以及蓄電(diàn)池數量。但在實際應用中(zhōng)，蓄電(diàn)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(dà)的蓄電(diàn)池容量。因此，光伏獨立系統蓄電(diàn)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(diàn)-光伏能源系統       Stefan Krauter

[2] 獨立光伏系統中(zhōng)蓄電(diàn)池的作用及選擇  張鳳鳴

[3] 獨立光伏電(diàn)站鉛酸蓄電(diàn)池的運行管理參數  可再生(shēng)能源

[4] 太陽能光伏應用中(zhōng)的蓄電(diàn)池研究       陳維  沈輝