独立光伏系统蓄电池的选择时间：2012-04-09 13:08:01 来源：电源在线网作者：1 引言伴随社会经济的飞速发展，能源消耗持续增加，环境问题日益突出，开发、利用太阳能作为新能源成为大势所趋。

太阳能发电无需燃料，具有无污染、安全、无噪声、运行简单可靠、资源的相对广泛性和充足性、长寿命等其他常规能源所不具备的优点。

光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源、可再生的绿色能源。

太阳能光伏发电系统应用非常广泛，依据应用的形式不同一般可分为两大类：独立光伏系统和并网光伏系统。

其中独立光伏系统应用相对广泛，日常生活中可见太阳能手电筒、太阳能路灯、太阳能充电器等均属于此类系统。

独立光伏系统一般由四个基础部分组成：光伏电池阵列、储能系统（蓄电池）、直流控制系统、负载，如图1所示。

图1 独立光伏系统组成在独立的光伏系统中，蓄电池的作用主要是储存能量，在晚上或多云等气候情况下，光伏阵列不能提供足够的能量时，蓄电池供给负载，保证系统的正常运行。

它是仅次于太阳能光伏阵列的重要组成部分，也是对系统性能可靠性、系统成本影响最大的部分之一。

本文探讨如何在保证系统正常工作、最大使用寿命、最大限度降低成本的情况下，为独立光伏系统选择并确定参数合理、数量合适的蓄电池。

2 蓄电池的选择（1）方法独立光伏系统蓄电池的选择过程主要包括三个方面：蓄电池种类、蓄电池的容量和蓄电池组串并联的确定。

蓄电池种类很多，主要有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢电池等。

目前，由于产品技术的成熟性和成本等因素，一些小型简单的独立光伏系统中使用镍氢电池，但应用较少；多数的独立光伏系统中使用铅酸蓄电池，应用广泛。

国家还制定了GB/T22473-2008《储能用铅酸蓄电池》标准，用以规范该类铅酸蓄电池产品的要求。

本文以下的内容均以铅酸蓄电池为基础。

蓄电池的容量选择与很多因素有关，主要有日负载需求、蓄电池最大放电深度、独立运行天数、安装地环境温度。

独立光伏系统的蓄电池容量，要保证系统在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以在一定时间内持续正常工作。

在光照度低于平均值的情况下，太阳能电池组件产生的电能，不能完全补充每日负载需求从蓄电池中消耗能量而产生的空缺，这样蓄电池就会处于亏电状态。

如果在一定时间内光照度始终低于平均值，蓄电池持续放电以供给负载的需要，蓄电池的荷电状态持续下降。

但是为了避免蓄电池的损坏，这样的放电过程只能允许持续一定的时间，直到蓄电池的荷电状态到达安全的最低值，即蓄电池的最大放电深度。

这里我们将持续放电时间称为：独立运行天数，即光伏系统在没有任何外来能源的情况下蓄电池供给负载正常工作的天数。

独立运行天数的确定主要与两个因素有关：光伏系统安装地点的气象条件（最大连续阴雨天数）、负载对应用场合的重要程度。

通常我们将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为光伏系统的独立运行天数，同时还要综合考虑负载对应用场合的重要程度。

对于应用场合重要的光伏应用系统，如通信、医院等重要部门，必须考虑系统的独立运行天数较长，一般考虑为（7～14）天，相对应的电池容量也需较大。

对于其他应用场合的光伏应用系统，系统的独立运行天数、以及对应的电池容量大小可以根据实际情况确定。

同时，由于铅酸蓄电池的额定容量会随着温度的变化而变化（见图2），当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降，所以安装地气温对确定蓄电池的容量非常重要。

如果安装地的气温较低，实际需要的蓄电池容量就要比常温条件下需要的蓄电池容量大，才能保证在不影响蓄电池使用寿命的情况下满足负载的用电需求。

大多数铅酸蓄电池生产企业一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正曲线。

在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。

图2温度与容量关系综合上述所有的影响因素，可以得到如下独立光伏系统蓄电池容量计算公式：日负载需求（Ah）×独立运行天数蓄电池容量= ------------------------------------ （1）最大放电深度×容量修正系数蓄电池串并联的确定直接关系到单体蓄电池数量的确定，依赖于系统工作电压、单体蓄电池标称电压和容量以及计算出的系统的蓄电池容量。

系统工作电压主要涉及到太阳电池组件的输出电压、控制器的额定工作电压以及负载的工作电压。

通过单体蓄电池的串联来实现与系统工作电压的匹配。

系统串联蓄电池数量计算如下：系统工作电压串联单体蓄电池数= ----------------------- （2）单体蓄电池标称电压单体蓄电池的并联数量由计算出的系统的蓄电池容量除以单体蓄电池容量得到。

在实际应用当中，要尽量减少并联数目，最好是选择大容量的单体蓄电池以减少所需的并联数目。

因为并联的单体蓄电池在充放电的时候会发生电流不平衡现象。

并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。

（2）实例根据上述计算公式，用一个太阳能路灯系统作为范例。

假设该太阳能路灯光伏系统负载为24V、60W的LED灯，每天工作时间约为10h。

这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统，我们选择6天的独立运行天数，并使用深循环电池，放电深度为80％，单体蓄电池标称电压12V、额定容量200Ah。

安装地环境温度为15℃～25℃（假设该温度下容量不需修正）。

从而可得：日负载需求：60×10/24=25(Ah)；蓄电池容量：6×25/0.8×1=187.5 (Ah)；需要串联的单体蓄电池数：24V/12V=2（只）；需要并联的单体蓄电池数：187.5/200＝0.93，取整数为1。

所以该太阳能路灯系统需要使用12V/200Ah的蓄电池个数为：2串联×1并联=2（只）。

3 结语一般情况下，在选定蓄电池种类后，根据日负载需求、独立运行天数、最大放电深度、安装地气温等信息数据和上述计算公式，就可以选择和确定独立光伏系统蓄电池的容量大小以及蓄电池数量。

但在实际应用中，蓄电池容量的选择还要考虑其他因素，比如安装地点，如果在很偏远的地区，考虑到维护成本、维护周期的原因，必须使用比计算值大的蓄电池容量。

因此，光伏独立系统蓄电池的选择是理论计算与成本等其他因素综合衡量的结果。

参考文献[1] 太阳能发电-光伏能源系统 Stefan Krauter[2] 独立光伏系统中蓄电池的作用及选择张凤鸣[3] 独立光伏电站铅酸蓄电池的运行管理参数可再生能源[4] 太阳能光伏应用中的蓄电池研究陈维沈辉■目前光伏系统大多采用蓄电池作为贮能元件。

而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类有很多，目前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池等。

目前常使用的是铅酸免维护蓄电池，因其维护方便，性能可靠，且对环境污染较小，特别是用于无人值守的光伏电站时 如图１ ，有着其他蓄电池所无法比拟的优越性。

本文以光伏系统中的铅酸免维护蓄电池 １２Ｖ，１２ＡＨ 为例进行实验比较不同的充电检测方法。

１关于蓄电池的充放电蓄电池充放电是根据化学反应进行的，即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深度的变化。

所以与一般电子零部件相比，蓄电池对温度变化更为敏感。

此外，反应速率，即充电电流或放电电流，影响反应参数并由此影响蓄电池的性能。

光伏系统中的蓄电池的工作条件与蓄电池在其他场合的工作条件不同，其充电率和放电率都非常小，且充电时间受到限制，即只有在日照时才能充电，所以不能按一固定的充电规律对其进行充电。

由于蓄电池应用在这个特殊的环境下，致使其寿命比所预定的短，成为整个光伏系统中最易损坏的部分，其损坏的原因主要为“过充”与“过放”。

免维护铅酸蓄电池的充放电电池反应为：２ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２ＯＰｂ＋ＰｂＯ２＋２Ｈ２ＳＯ４过充是指蓄电池单格电压超过某一水平 一般为２．３５Ｖ／单格～２．４０Ｖ／单格 ，此时蓄电池无法使产生的氧气充分再化合。

充电电压过高，在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收，在电池中因积累而产生压力并且导致水份损失。

严重过充时，水分解，产生氢气和氧气，使得蓄电池底部浓度比其他地方高出许多，导致负极板底部硫酸盐化，正极板腐蚀和膨胀，造成容量损失。

过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压 如图２ ，蓄电池放出了过量的容量。

在铅酸蓄电池中，两个电极对过放都是敏感的。

在溶解再沉积机理中，当铅 Ｐｂ 和二氧化铅 ＰｂＯ２ 分别溶解在电解液中并作为新的化合物硫酸铅 ＰｂＳ０４ 沉淀出来时，活性物质发生了彻底的转变并且失去原有的结构。

负电极由于有反极的危险，对过放也是敏感的。

活性物质中的膨胀剂可能会因氧化而失去作用，而铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加。

在设计光伏系统时需要对蓄电池的容量进行检测以判断是否应继续充电或放电。

目前大部分采用电压单环的在线式检测方案。

２在线式检测方案在线式检测，即在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行监测，当蓄电池的端电压大于某个限定值时，就视为已充满，停止太阳电池向蓄电池充电。

由于这种电路结构简单，价格低廉。

目前应用最为广泛。

它的电路结构可以基于比较控制器建立蓄电池检测电路 如图３ 。

此电路可以用比较器来控制电池组的充电电流。

蓄电池电压ＶＤ分别经分压后输入比较器：当ＶＤ＜８Ｖ时，比较器被触发，太阳电池经防反二极管向蓄电池充电；当ＶＤ＞１５Ｖ时，停止充电。

门限电压可设定 文中所用８Ｖ与１５Ｖ为经验所得值 。

此电路结构简单，成本低，且易于维护，其在光伏应用初期曾得到广泛运用。

但它不能实现涓流充电，造成了能源的极大浪费，使得本来效率就不高的光伏系统性价比更低。

随着集成电路的广泛使用，如今市场上的光伏产品中普遍采取基于专业芯片的检测电路，而主控电路采用ΔＶ型，充电专用ＩＣ中常用的类型。

铅酸电池在充电时，电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降。

设计主控电路时，利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的，这也称为—ΔＶ法。

以下列出芯片功能实现框图 图４ 。

它能有效地防止蓄电池的“过充”与“过放”，并能实现涓流充电，有利于光伏系统效率的提高，是当前运用最为广泛的蓄电池检测电路。

３离线式检测方案蓄电池的电压受很多因素的影响，例如温度、湿度等，特别是在充电过程中，蓄电池的端电压并不能很好地反映其容量。

上述在线式检测方案中蓄电池都与太阳电池直接相连，其端电压受太阳电池端电压制约，ＶＤ并不能准确地反映蓄电池的容量。

这突出表现为当系统所处温度较高时，由于太阳电池板和蓄电池的端电压均受温度影响严重，太阳能板端电压随温度升高而降低，而蓄电池端电压则刚好相反，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象 常称之为“虚满” 。

这在很大程度上影响了蓄电池容量检测的准确性，进而阻碍了整个系统的正常工作，造成能源的极大浪费。

针对这一问题，我们在这里提出一种新颖的蓄电池容量检测方案——离线式检测。