光伏发电系统及应用技术光伏发电系统及应用技术岳之浩岳之浩yuezhihaoncu.edu.cn第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.1 引言引言光伏电池和系统的应用领域：光伏电池和系统的应用领域：l航天应用（如人造卫星和空间站）航天应用（如人造卫星和空间站）l导航设备和报警装置（如信号灯塔）导航设备和报警装置（如信号灯塔）l无线电通信（如微波中继站、边远地区的无线电话、紧急呼叫电话）无线电通信（如微波中继站、边远地区的无线电话、紧急呼叫电话）l铁道、公路信号灯铁道、公路信号灯l阴极保护（如管道线路的防锈）阴极保护（如管道线路的防锈）l10mW以下的电动消费产品（如计算器和钟表）以下的电动消费产品（如计算器和钟表）l蓄电池充电（如小型船只、露营、照明，甚至是汽车的电力系统）蓄电池充电（如小型船只、露营、照明，甚至是汽车的电力系统）l教育、社会公益用电（如电视在发展中国家）教育、社会公益用电（如电视在发展中国家）l冷藏设备（如边远地区的药物和疫苗的储存）冷藏设备（如边远地区的药物和疫苗的储存）l水泵（如生活和灌溉的水供应）水泵（如生活和灌溉的水供应）l净化水净化水l太阳能车（如高尔夫球车、太阳能汽车）太阳能车（如高尔夫球车、太阳能汽车）第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构l照明（如广告牌、庭院灯、安全照明、紧急报警灯）照明（如广告牌、庭院灯、安全照明、紧急报警灯）l远程监控（如气象、污染、高速公路检测、水质、水位高度和流速）远程监控（如气象、污染、高速公路检测、水质、水位高度和流速）l远程测量供电远程测量供电l气体流速测量气体流速测量l直接驱动用电设备（如鼓风机、玩具等）直接驱动用电设备（如鼓风机、玩具等）l电网（如控制野生动物的进出）电网（如控制野生动物的进出）l远程电动门远程电动门l边远村庄的供电（通常使用一个混合动力系统）边远村庄的供电（通常使用一个混合动力系统）l并网发电时民用和商用电力的供应并网发电时民用和商用电力的供应l太阳能发电站太阳能发电站第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.2 独立太阳发电系统的示意图独立太阳发电系统的示意图第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.3 电池组件电池组件封装到组件中的电池比未经封装的电池平均效率要低，原因如下：封装到组件中的电池比未经封装的电池平均效率要低，原因如下：l玻璃的表面反射玻璃的表面反射l电池与密封材料之间界面的反射电池与密封材料之间界面的反射l电池之间的失谐损失电池之间的失谐损失l互连阻抗损失互连阻抗损失第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构为一个为一个12V的铅酸蓄电池充电，需要使用的铅酸蓄电池充电，需要使用Vmp=18V的组件，这是因为：的组件，这是因为：l当太阳电池工作温度升到当太阳电池工作温度升到60时电压损失约时电压损失约2.8Vl通过阻塞二极管时电压下降通过阻塞二极管时电压下降0.6Vl通过稳压器时通常电压下降通过稳压器时通常电压下降1.0Vl光照强度不足的情况下电压也会下降光照强度不足的情况下电压也会下降l要使蓄电池完全充足电，需要要使蓄电池完全充足电，需要14.0-14.5V的电压的电压第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4 蓄电池蓄电池6.4.1 电池种类电池种类 铅酸、镊镉、镍氢、充电式碱性、锂离子、锂高分子和氧化还原蓄电池，铅酸、镊镉、镍氢、充电式碱性、锂离子、锂高分子和氧化还原蓄电池，在独立光伏系统中用的最多的为铅酸蓄电池。在独立光伏系统中用的最多的为铅酸蓄电池。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4.2 应用应用蓄电池可以用作：蓄电池可以用作：l维持系统运行维持系统运行l周期性短期存储，以便更有效地分配电力周期性短期存储，以便更有效地分配电力l为保证系统能够度过低日照月份而进行长期存储为保证系统能够度过低日照月份而进行长期存储第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4.3 要求要求l寿命长寿命长l较长的负载周期和较低的漏电量（长期低电量使用）较长的负载周期和较低的漏电量（长期低电量使用）l比较高的充电效率比较高的充电效率l低价格低价格l低维护低维护第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4.4 效率效率 由于光伏组件和蓄电池的高额花费，蓄电池的效率因此显得至关重要。由于光伏组件和蓄电池的高额花费，蓄电池的效率因此显得至关重要。它可以分解为以下几点：它可以分解为以下几点：l电量效率电量效率：通常在恒定放电率下测量，是指和充入电量相比较，所能：通常在恒定放电率下测量，是指和充入电量相比较，所能够从蓄电池取回的电量比例。漏电会影响电量效率够从蓄电池取回的电量比例。漏电会影响电量效率l电压效率电压效率：在恒定放电率状态下测量。电压效率指的是将一个电荷充：在恒定放电率状态下测量。电压效率指的是将一个电荷充入蓄电池所需的能量，与将该电荷释放所获得的能量之比入蓄电池所需的能量，与将该电荷释放所获得的能量之比l能量效率能量效率：电量效率和电压效率的乘积：电量效率和电压效率的乘积第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构 独立光伏系统典型的平均工作效率为独立光伏系统典型的平均工作效率为80%-85%，冬天升高至，冬天升高至90%-95%，因为：，因为：l当蓄电池处于更低充电状态（当蓄电池处于更低充电状态（85%-90%）时具有更高的电量效率）时具有更高的电量效率l大多数电荷直接进入负载，而非蓄电池大多数电荷直接进入负载，而非蓄电池第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4.5 额定功率和容量额定功率和容量l蓄电池的额定功率（电流）被定义为充放电的最大速率，单位为安培蓄电池的额定功率（电流）被定义为充放电的最大速率，单位为安培（A）。）。l在蓄电池电压不低于某指定值的情况下，蓄电池所释放的最大能量叫在蓄电池电压不低于某指定值的情况下，蓄电池所释放的最大能量叫作蓄电池容量。它在恒定放电率下的单位是千瓦时（作蓄电池容量。它在恒定放电率下的单位是千瓦时（kWh）或安时）或安时（Ah）。）。l蓄电池的容量还受温度影响，在蓄电池的容量还受温度影响，在20以下时温度每降低以下时温度每降低1容量大约会容量大约会下降下降1%。另一方面，高温会加速蓄电池的老化、漏电以及电解液消耗。另一方面，高温会加速蓄电池的老化、漏电以及电解液消耗。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.4.6 放电深度放电深度l放电深度是指从蓄电池取出电量占额定容量的百分比。浅循环蓄电池放电深度是指从蓄电池取出电量占额定容量的百分比。浅循环蓄电池的放电深度不应超过的放电深度不应超过25%，深循环蓄电池则可释放，深循环蓄电池则可释放80%的电量。的电量。l蓄电池寿命受蓄电池的平均充电状态所影响，因此必须协调好电池的蓄电池寿命受蓄电池的平均充电状态所影响，因此必须协调好电池的循环深度和容量之间的关系。循环深度和容量之间的关系。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.5 铅酸蓄电池铅酸蓄电池6.5.1 类型类型深（浅）循环、胶化蓄电池、受控或液体电解液蓄电池、密封和开放式深（浅）循环、胶化蓄电池、受控或液体电解液蓄电池、密封和开放式蓄电池。蓄电池。阀控铅酸蓄电池阀控铅酸蓄电池l或称密封蓄电池，允许电解液生成的氢气溢出。或称密封蓄电池，允许电解液生成的氢气溢出。l使用催化剂可以尽可能多地将生成的氢、氧化合物转化为水，这样气使用催化剂可以尽可能多地将生成的氢、氧化合物转化为水，这样气体只有在蓄电池过压的时候才被释放。体只有在蓄电池过压的时候才被释放。l因为不可以补充电解液被称为密封式蓄电池，使用时需要遵循严格的因为不可以补充电解液被称为密封式蓄电池，使用时需要遵循严格的充电控制，比开放式蓄电池更易于维护。充电控制，比开放式蓄电池更易于维护。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构开放式蓄电池开放式蓄电池l配备超量的电解液配备超量的电解液l通过气体溢出来带动搅拌电解液，以防止电解液分层通过气体溢出来带动搅拌电解液，以防止电解液分层l需要经常补充电解液需要经常补充电解液l确保电池安置处的通风良好，以防止氢气累积发生爆炸确保电池安置处的通风良好，以防止氢气累积发生爆炸第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.5.2 极板材料极板材料不同种类的铅酸蓄电池拥有不同类型的极板。不同种类的铅酸蓄电池拥有不同类型的极板。l纯铅极板纯铅极板。具有低漏电率和较长的使用寿命，但纯铅极板柔软而又容。具有低漏电率和较长的使用寿命，但纯铅极板柔软而又容易损坏，操作时需要非常小心。易损坏，操作时需要非常小心。l铅钙极板铅钙极板。强度会有显著提高，它的价格也较纯铅蓄电池更低。但使。强度会有显著提高，它的价格也较纯铅蓄电池更低。但使用这种极板的蓄电池不适合反复深度放电，而且寿命更短一些。由于用这种极板的蓄电池不适合反复深度放电，而且寿命更短一些。由于其较低的氢气放气率，铅钙极板也被广泛地应用于阀控铅酸蓄电池中。其较低的氢气放气率，铅钙极板也被广泛地应用于阀控铅酸蓄电池中。l铅锑极板铅锑极板。可增加强度和降低电阻率。铅锑蓄电池通常用于汽车工业。可增加强度和降低电阻率。铅锑蓄电池通常用于汽车工业。实际上，它们比纯铅和铅钙蓄电池更便宜，但寿命较短，而且漏电问实际上，它们比纯铅和铅钙蓄电池更便宜，但寿命较短，而且漏电问题更严重。另外，在深循环时电池会迅速老化，所以需要几乎一直保题更严重。另外，在深循环时电池会迅速老化，所以需要几乎一直保持满电状态。不适合应用于独立光伏系统。铅锑蓄电池电解液消耗较持满电状态。不适合应用于独立光伏系统。铅锑蓄电池电解液消耗较快，所以需要经常加满，因此它们通常仅适合于开放式蓄电池。快，所以需要经常加满，因此它们通常仅适合于开放式蓄电池。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.5.3 充电充电l光伏系统的蓄电池通常被用于恒定电压模式（即浅循环模式）或循环光伏系统的蓄电池通常被用于恒定电压模式（即浅循环模式）或循环模式。模式。l在冬天，很多光伏系统中的蓄电池会长期处于低充电状态，这会带来在冬天，很多光伏系统中的蓄电池会长期处于低充电状态，这会带来不少问题，比如说，长期的充电量低会使极板上生成硫酸铅晶体，导不少问题，比如说，长期的充电量低会使极板上生成硫酸铅晶体，导致蓄电池的效率和容量降低。这种现象被称作硫酸化。致蓄电池的效率和容量降低。这种现象被称作硫酸化。l将最低电量限制在将最低电量限制在50%左右能够有效地减少硫酸铅沉淀，并维持硫酸左右能够有效地减少硫酸铅沉淀，并维持硫酸浓度。浓度。l硫酸浓度较高的蓄电池在冬天被冻结的可能性更小。硫酸浓度较高的蓄电池在冬天被冻结的可能性更小。l另一种解决冬季问题的办法是增加太阳能电池板的倾斜角度，以便充另一种解决冬季问题的办法是增加太阳能电池板的倾斜角度，以便充分利用冬季阳光。分利用冬季阳光。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构l尽管过充电在短期内有利于电解液的均匀混合，但长期使用下去也会尽管过充电在短期内有利于电解液的均匀混合，但长期使用下去也会有它自己的问题。有它自己的问题。l过充的好处是会生成氢气，从而搅动电解液，进而防止电解液在蓄电过充的好处是会生成氢气，从而搅动电解液，进而防止电解液在蓄电池底部集聚出一个高浓度区。池底部集聚出一个高浓度区。l但是，过充电也会导致极板上的活性物质脱落和电解液损耗。但是，过充电也会导致极板上的活性物质脱落和电解液损耗。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构l为了控制过充电，每个电池的电压通常会用稳压器限制在为了控制过充电，每个电池的电压通常会用稳压器限制在2.35V。这样。这样蓄电池的电压最大值也就被限制在大约蓄电池的电压最大值也就被限制在大约14V的位置。典型的铅酸蓄电的位置。典型的铅酸蓄电池的充放电特性如下图所示。池的充放电特性如下图所示。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构l最普遍的调节和控制铅酸蓄电池的方法是通过测量电池电压估算出电最普遍的调节和控制铅酸蓄电池的方法是通过测量电池电压估算出电池容量。池容量。l充电会在电压高于指定值时停止，以减少氢气排放，控制电解液的搅充电会在电压高于指定值时停止，以减少氢气排放，控制电解液的搅动而不会有过量的电解液消耗。同样，放电也会在电压低于指定值时动而不会有过量的电解液消耗。同样，放电也会在电压低于指定值时停止，从而减缓蓄电池老化。停止，从而减缓蓄电池老化。l通过电压来指示蓄电池的充电状态并不十分精确。通过电压来指示蓄电池的充电状态并不十分精确。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.5.4 效率效率典型铅酸蓄电池效率如下：典型铅酸蓄电池效率如下：l电量效率：电量效率：85%l电压效率：电压效率：85%l能量效率：能量效率：72%第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6 其他蓄电池设备其他蓄电池设备6.6.1 镊镉蓄电池镊镉蓄电池 镊镉蓄电池通常作为家用可重复充电蓄电池使用，也能适应独立光伏镊镉蓄电池通常作为家用可重复充电蓄电池使用，也能适应独立光伏系统的要求，尤其能胜任寒冷的气候。和铅酸蓄电池相比，其有许多优点：系统的要求，尤其能胜任寒冷的气候。和铅酸蓄电池相比，其有许多优点：l可过量充电可过量充电l能够充分放电，从而避免设计时预留额外电容的需要能够充分放电，从而避免设计时预留额外电容的需要l更耐用更耐用l低温工作也有极佳的性能，即使冻结也不会损坏电池低温工作也有极佳的性能，即使冻结也不会损坏电池l低内阻低内阻l更高的充电速率更高的充电速率l放电过程中电压恒定放电过程中电压恒定l寿命更长寿命更长l维护要求低维护要求低l不使用时，漏电率低不使用时，漏电率低第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构其缺点为：其缺点为：l较一般的铅酸蓄电池贵较一般的铅酸蓄电池贵2-3倍倍l充电蓄能效率更低（充电蓄能效率更低（60%-70%）l需充分放电以控制记忆效应，以及记忆效应所导无法完全放电的问题需充分放电以控制记忆效应，以及记忆效应所导无法完全放电的问题l放电速度比较慢放电速度比较慢第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6.2 镍氢蓄电池镍氢蓄电池l镍氢蓄电池通过从金属化合物中吸收和放出氢来完成充放电过程。镍氢蓄电池通过从金属化合物中吸收和放出氢来完成充放电过程。l电解液里含有氢氧化钾水溶液，它大多数被电极和分离层吸收。电解液里含有氢氧化钾水溶液，它大多数被电极和分离层吸收。l与镊镉蓄电池相似，它们的电压是与镊镉蓄电池相似，它们的电压是1.2V，能效高达能效高达80-90%，最大功率，最大功率略低，并且受记忆效应影响更少。略低，并且受记忆效应影响更少。l由于价格高昂，镍氢电池不太可能被广泛应用在边远地区的光伏系统由于价格高昂，镍氢电池不太可能被广泛应用在边远地区的光伏系统上。上。l正在替代镊镉电池，成为便携式设备的第一选择。正在替代镊镉电池，成为便携式设备的第一选择。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6.3 可充电碱性锰蓄电池可充电碱性锰蓄电池l属于密封型蓄电池，额定电压为属于密封型蓄电池，额定电压为1.5V。l内阻较高内阻较高l过度放电会影响其使用寿命过度放电会影响其使用寿命l适用于紧急照明适用于紧急照明第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6.4 锂离子和锂聚合物蓄电池锂离子和锂聚合物蓄电池l锂电池通常用于便携设备，如电脑、相机、手机等。锂电池通常用于便携设备，如电脑、相机、手机等。l锂电池的额定电压为锂电池的额定电压为3.6V，已经足以用来电解水分子，所以我们不可，已经足以用来电解水分子，所以我们不可以使用水来作为电解液溶液，而必须采用有机溶液。以使用水来作为电解液溶液，而必须采用有机溶液。l锂电池也属于密封型蓄电池，一般会配备保险阀。锂电池也属于密封型蓄电池，一般会配备保险阀。l金属锂的化学活性非常强，所以在电池设计上要严格防范爆炸和着火金属锂的化学活性非常强，所以在电池设计上要严格防范爆炸和着火的可能性。的可能性。l使用时需防止过充电、过放电、过流、短路和高温。使用时需防止过充电、过放电、过流、短路和高温。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6.5 氧化还原蓄电池氧化还原蓄电池l氧化还原蓄电池用液态电解液通过可逆反应来充电和放电。氧化还原蓄电池用液态电解液通过可逆反应来充电和放电。l当溶液在蓄电池中流动时，互相分离的两种活性材料溶液之间的离子当溶液在蓄电池中流动时，互相分离的两种活性材料溶液之间的离子交换是通过离子选择膜进行的。交换是通过离子选择膜进行的。l相对于铅酸电池而言，其有较长的循环周期、更高的能量密度，而且相对于铅酸电池而言，其有较长的循环周期、更高的能量密度，而且能够完全放电。能够完全放电。l氧化还原蓄电池的容量与活性材料的存量相关，而额定功率则与蓄电氧化还原蓄电池的容量与活性材料的存量相关，而额定功率则与蓄电池的反应室大小有关。池的反应室大小有关。第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构钒氧化还原电池：钒氧化还原电池：l电量效率：电量效率：97%l电压效率：电压效率：92%l能量效率：能量效率：87% 氧化还原蓄电池用在光伏系统上时会带来一系列问题，比如需要定氧化还原蓄电池用在光伏系统上时会带来一系列问题，比如需要定期维护以及在恶劣环境下活性材料的污染。期维护以及在恶劣环境下活性材料的污染。 第六章第六章 独立光伏系统的结构独立光伏系统的结构6.6.6 超级电容器超级电容器l与一般的电容器不同，这种静电存储装置在电极之间使用了离子透导与一般的电容器不同，这种静电存储装置在电极之间使用了离子透导薄膜，而非双电极。薄膜，而非双电极。l循环寿命长循环寿命长l低内阻低内阻l适用于高功率系统适用于高功率系统l其蓄电量与电压直接关联，容易估算其蓄电量与电压直接关联，容易估算l漏电率高，不适合作中长期的电力储备漏电率高，不适合作中长期的电力储备l可用来稳定供电高峰期的需求或水泵启动的瞬间可用来稳定供电高峰期的需求或水泵启动的瞬间