第十章獨立光伏系統(tǒng)的設計

1、第十章第十章 獨立光伏系統(tǒng)的設計獨立光伏系統(tǒng)的設計 南京理工大學南京理工大學 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 1 1 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 太陽能電池是負載唯一的電力來源 2 2 對于市電不容易到達的地區(qū)，如偏遠山區(qū)、農(nóng)村、牧 區(qū)、邊防哨所、高速路旁等可采用獨立光伏系統(tǒng)供電。既 節(jié)約了大量成本，又簡化了安裝程序。 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)： 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 3 3 停放電動汽車的太陽能停車場 為偏遠地區(qū)的居民供電 為微波、光纜中繼站供電 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 4 4 5 5 6 6 為追蹤鳥類飛行記錄系統(tǒng)供電 太陽能電池背包

2、7 7 8 8 光伏水泵 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 太陽能電池方陣太陽能電池方陣：將太陽輻射直接轉換為電能。若 干太陽能電池組件連接，配上支架及接線盒構成方 陣。 9 9 設計問題：需要多少塊太陽能電池？ 安裝角度？ 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 蓄電池組蓄電池組：太陽能電池方陣的儲能裝置，將有日照 時方陣發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天 供負載使用。 1010 設計問題：需要多大容量的蓄電池？ 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 調節(jié)器調節(jié)器：由各種電子元器件、儀表、繼電器、開關 等組成。防止過充電、過放電并保證穩(wěn)壓供電。 1111 設計問題：需要什么

3、樣的調節(jié)器？ 獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立式太陽能發(fā)電系統(tǒng) 阻塞二極管阻塞二極管：位于組件和蓄電池之間的線路上，夜 間或陰天時防止蓄電池電流回流到方陣。 1212 設計問題：如何防止蓄電池回流？ 內容內容 1010.2 .2 蓄電池性能蓄電池性能 1010.3 .3 功率控制功率控制 1010.1 .1 太陽能電池組件的性能太陽能電池組件的性能 1313 1010. .4 4 系統(tǒng)規(guī)模的制定系統(tǒng)規(guī)模的制定 1010. .5 5 光伏水泵光伏水泵 1010.1 .1 太陽能電池組件的性能太陽能電池組件的性能 一般將單體電池串聯(lián)，產(chǎn)生足以給12V的蓄電池組 充電的電壓。 為了對標稱12V蓄電池充電，要

4、求串聯(lián)單體電池數(shù) 比基體要求的數(shù)量適當?shù)亩嘁恍?太陽能電池數(shù)量確定太陽能電池數(shù)量確定 確定太陽電池串聯(lián)數(shù)量需考慮的因素： l電能-化學能存在轉換效率：對于鉛-酸蓄電池組，需要 14V以上的電壓； l硅阻塞二極管：還需要增加0.6V，以使其正向偏置； l工作溫度：溫度每升高1，組件的開路電壓下降約為 0.4%。在25下開路電壓為20V的電池組件，開路電壓大 約減少3V。 l灰塵：周期性的影響，平均損失5%10%。 組建安裝角度組建安裝角度 1616 六月左右一月左右 北半球：太陽電池面朝南 南半球：太陽電池面朝北 組建安裝角度組建安裝角度 為正午時的太陽高度： 90 式中： 為地理緯度，為赤緯

5、。 360 23.45 sin81 365 d 式中：d為一年開頭算起的天數(shù)。 +北半球-南半球 通常的最佳值為 2015 赤緯與緯度 1818 緯度緯度：某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角。 赤緯赤緯：太陽入射光與地球赤道之間的角度。 組建安裝角度組建安裝角度 例如，南半球1月1日， 墨爾本南緯37.8 23 墨爾本為夏季，所以 2 .75238 .3790 60 組建安裝間距組建安裝間距 D D 2020 陽光射線 前排太陽 能電池板 后排太陽 能電池板 地平面 z H D 10.2 蓄電池性能蓄電池性能 2121 季節(jié)循環(huán)：夏天對蓄電 池充電，冬天讓蓄電池 放電。 容量大 性能

6、要求 功能要求 日循環(huán)：白天對蓄電池 充電，晚上讓蓄電池放 電。 充電效率高 自放電：在外電路斷開時，電池容量的無益損耗。 引起蓄電池自放電的主要原因：在蓄電池原料選擇、加工、極板制作、 焊接、整體組合等帶來的一些有害雜質引起的。 自放電小 充電效率：從蓄電池輸出的電量與向蓄電池充進的電量的比值。 2222 1010. .2.12.1 鉛鉛- -酸蓄電池組酸蓄電池組 1010. .2.2 2.2 鎳鎳- -鎘蓄電池組鎘蓄電池組 1010.2.1.2.1 鉛鉛- -酸蓄電池組酸蓄電池組 2323 （1 1）充電方式設計）充電方式設計 （2 2）充電不足帶來的問題）充電不足帶來的問題 （3 3）過

7、度充電帶來的問題）過度充電帶來的問題 （4 4）放電率和溫度對電池容量的影響）放電率和溫度對電池容量的影響 （1 1）充電方式設計）充電方式設計 2424 浮充式浮充式:當電池處于充滿狀態(tài)時，充電器不會停止充電，仍 會提供恒定的浮充電壓與很小浮充電流供給電池。 最適合于獨立供電系統(tǒng)的商用蓄電池組是浮充式電池組浮充式電池組。 一旦充電器停止充電，電池會自然地釋放電能，所以利 用浮充的方式來平衡這種自然放電。 滿足自放電小的要求 （2 2）充電不足帶來的問題）充電不足帶來的問題 2525 蓄電池在冬天長時間處于不完全充電狀態(tài) 極板硫化 放電反應 +- 2442 PbO +3H +HSO +2e =

8、PbSO +2H O陽極： - 44 Pb+HSO =PbSO +H2e 陰極： 蓄電池的極板上形成硫酸鉛(PbSO4)結晶 容量減少，壽命降低 提高儲能、硫酸濃度，在 冬天能保持接近全充的狀 態(tài)，減少結晶 （3 3）過度充電帶來的問題）過度充電帶來的問題 2626 析 氣 蓄電池在夏天會處于過充狀態(tài) H2和O2從電池中逸出 電解質損失 極板過度長大 氣體攪拌電解液，防止 了較濃物質在電池底部 “分層” 保證了蓄電池組中較差 的電池得到充足電的機 會 引起危險 活性物質從電極上脫落 蓄電池壽命降低 缺點缺點優(yōu)點優(yōu)點 充電效率下降 （3 3）過度充電帶來的問題）過度充電帶來的問題 2727 為了

9、限制析氣量，同時考慮到定期過充的優(yōu)點， 折中辦法是用電壓調節(jié)器把蓄電池組的每個單體電 池的電壓限制在大約2.35V。 95% 2.35V 析氣點 （4 4）放電率和溫度對電池容量的影響）放電率和溫度對電池容量的影響 2828 蓄電池的容量蓄電池的容量：在一定放電率下輸出的安培小時數(shù)。 放電率放電率：將全部電荷釋放盡所需要的時間。 在10小時放電率下，當每個單體電池放電到1.85V時，電 池組容量規(guī)定為550Ah(55安培連續(xù)放電10小時)，實測約 750 Ah。 （4 4）放電率和溫度對電池容量的影響）放電率和溫度對電池容量的影響 2929 低低溫溫 高高溫溫 20以下，溫度每降低 1，容量大

10、約下降1%。 電解質凍結 避免蓄電池溫度過高或過低 加速蓄電池的老化 增加自放電速率 增加電解質的消耗 10.2.3 鎳鎳-鎘蓄電池組鎘蓄電池組 與鉛-酸蓄電池組相比較，鎳鎳-鎘鎘蓄電池組優(yōu)點優(yōu)點是： 1. 能經(jīng)受過充而不損壞； 2. 能經(jīng)受長時間少量充電而不損壞； 3. 機械強度好，便于運輸； 4. 能經(jīng)受冷凍而不損壞。 主要缺點缺點是： 1. 價格較高； 2. 充電效率低； 3. 在低放電速率下，電池容量額外增加量較小。 1010.3 .3 功率控制功率控制 為防止蓄電池組過充，需要進行為防止蓄電池組過充，需要進行電壓調節(jié)電壓調節(jié) （1 1）分流調節(jié)器）分流調節(jié)器 （2 2）短路型調節(jié)器）

11、短路型調節(jié)器 （3 3）開路型調節(jié)器）開路型調節(jié)器 （1）分流調節(jié)器）分流調節(jié)器 3232 RV1調整到調節(jié)器接通的位置上，以大約14.1V為 宜。蓄電池充電到高于這一電壓時，充電電流就通 過RL和TR1分流。 會產(chǎn)生大量的熱。 （2 2）短路型調節(jié)器）短路型調節(jié)器 3333 由分散的太陽電池本身以熱的形式消耗掉多余的能量。 通過將太陽電池方陣的一部分短路或開路來實現(xiàn)。 需用旁路二極管等特殊保護元件。 晶體管能把太陽電池方陣并聯(lián)的各個部分一次地短路 掉，使得蓄電池電壓小于一定值。 （3 3）開路型調節(jié)器）開路型調節(jié)器 3434 使方陣并聯(lián)的某些部分開路 1010. .4 4 系統(tǒng)規(guī)模的制定系統(tǒng)

12、規(guī)模的制定 設計步驟概括為： 1.確定負載數(shù)據(jù)； 2.按照地理緯度和當?shù)氐臍夂蛱卣鬟x定蓄電池容量； 3.選定方陣的傾角； 4.依據(jù)落在選定傾角的方陣上的平均和最小月輻射量，估 算方陣電流的下限和上限； 5.求出方陣的最佳尺寸，以保持蓄電池全年荷電都在某一 百分數(shù)之上； 6.如果需要的話，修改方陣的傾角以求得最佳值； 7.規(guī)定最高工作溫度下的方陣電壓，要求在這個電壓下能 提供滿負載電流。 題目 13.3 墨爾本太陽系統(tǒng)設計 3636 自然條件自然條件：墨爾本南緯37.8 ，1月份時月平均日間總輻 射 量 R = 8 3 9 m W h / c m 2 ， 月 平 均 日 間 散 射 輻 射 量

13、D=210mWh/cm2。 負載負載：24V直流，功率為100W。 蓄電池蓄電池：能量可儲備15天，放電深度為25%，單個蓄電池 電壓為2.35V，12節(jié)串聯(lián)。 放電深度：在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量 的百分比。 負載 3737 負載電流需求：100W/24V 24h=100Ah/天 蓄電池參數(shù) 3838 依據(jù)負載電流需求，得到蓄電總裝配容量為： 100Ah 15/（1-0.25）=2000Ah 太陽電池方陣組件設計 3939 最佳傾角 =37.8 +2060 電流強度為100Ah/5.83=17.2A 電流下限為17.2/0.95/0.9=20.1A，夏季 電流上限為20.1 5.83/4.26=27.5A，冬季 平均日間輻射量為21