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1、1 太阳能光伏发电系统及应用 大阳能电池方阵也称光伏阵列 SolarArray或PVArray 太阳能电池方阵是为满足高电压 大功率的发电要求 由若干个太阳能电池组件通过串并联连接 并通过一定的机械方式固定组合在一起的 7 1太阳电池方阵 此外 光伏阵列还需要防反充 防逆流 二极管 旁路二极管 电缆等对电池组件进行电气连接 还需要配备专用的 带避雷器的直流接线箱 另外光伏阵列要固定在支架上 整个支架要牢固的安装在支架基础上 7 1太阳电池方阵 1热斑效应 当太阳能电池组件或某一部分表面不清洁 有划伤或者被鸟粪 云层阴影覆盖或遮挡时 被覆盖或遮挡部分所获得的太阳能辐射会减小 其电池片输出功率自然
2、减小 相应组件的输出功率也随之降低 由于被遮挡的面积与输出功率不是线性关系 所以即使一个组件中只有一个电池片被覆盖 整个组件的功率也会大幅度降低 1热斑效应 被遮挡部分 串的并联部分 只有该部分输出的发电电流会减小 被遮挡部分 串的串联部分 一方面会使整个组件的输出电流减小为该被遮挡部分的电流 另一方面被遮挡部分不能发电 还会被当作负载消耗能量 长期遮挡会引起局部反复过热 产生热斑 这就是热斑效应 1热斑效应 热斑效应能严重地破坏太阳能电池 严重的可能会使焊点熔化 封装材料破坏 甚至会使整个组件失效 产生热斑效应的原因除了以上情况外 还有个别质量不好的电池片混入电池组件 电极焊片虚焊 电池片隐
3、裂或破损 电池片性能变坏等因素 需要引起注意 2太阳能电池组件的串 并联组合 太阳能电池方阵的连接有串联 并联和串 并联混合几种方式 当每个单体的电池组件性能一致时 多个电池组件的串联连接 可在不改变输出电流的情况下 使方阵输出电压成比例的增加 组件并联连接时 则可在不改变输出电压的情况下 使方阵的输出电流成比例的增加 串 并联混合连接时 即可增加方阵的输出电压 又可增加方阵的输出电流 但是 组成方阵的所有电池组件性能参数不可能完全一致 所有的连接电缆 插头插座接触电阻也不相同 于是会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件 而各并联电池组件的输出电压又会被其中电压最低的电池组件钳
4、制 因此方阵组合会产生组合连接损失 使方阵的总效率总是低于所有单个组件的效率之和 组合连接损失的大小取决于电池组件性能参数的离散性 因此除了在电池组件的生产工艺过程中 尽量提高电池组件性能参数的一致性外 还可以对电池组件进行测试 筛选 组合 即把特性相近的电池组件组合在一起 例如 串联组合的各组件工作电流要尽量相近 每串与每串的总工作电压也要考虑搭配得尽量相近 最大幅度地减少组合连接损失 方阵组合连接要遵循下列几条原则 串联时需要工作电流相同的组件 并为每个组件并接旁路二极管 并联时需要工作电压相同的组件 并在每一条并联线路中串联防反充二极管 方阵组合连接要遵循下列几条原则 尽量考虑组件连接线
5、路最短 并用较粗的导线 严格防止个别性能变坏的电池组件混入电池方阵 7 2二极管 在太阳能电池方阵中 常用的二极管基本都是硅整流二极管 在选用时要注意规格参数 防止击穿损坏 一般反向峰值击穿电压和最大工作电流都要取最大运行工作电压和工作电流的2倍以上 二极管在太阳能光伏发电系统中主要分为两类 防反冲二极管和旁路二极管 1 防反充 防逆流 二极管 防反充二极管的作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时 蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送 不仅消耗能量 而且会使组件或方阵发热甚至损坏 1 防反充 防逆流 二极管 作用之二是在电池方阵中 防止方阵各支路之间的电流倒送 这是因为串联各支路的输出电压
6、不可能绝对相等 各支路电压总有高低之差 或者某一支路因为故障 阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低 高电压支路的电流就会流向低电压支路 甚至会使方阵总体输出电压的降低 在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生 2 旁路二极管 当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵或电池方阵的一个支路时 需要在每块电池板的正负极输出端反向并联1个 或2 3个 二极管 这个并联在组件两端的二极管就叫旁路二极管 2 旁路二极管 旁路二极管的作用是防止方阵串中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时 在该组件旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通 组件串工作电流绕过故障组件 经二极管旁路
7、流过 不影响其他正常组件的发电 同时也保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于 热斑效应 发热而损坏 将每个电池配备一个旁路二极管会过于昂贵 所以二极管通常会连接于一组电池的两端 被遮挡的电池最大功率消耗大约等于该电池所在电池组的总发电能力 对于硅光伏电池 在不损坏的情形下 一个旁路二极管最多接15个电池块 所以对于36块电池的组件 至少需要3个旁路二极管来保证组件不被热点破坏 旁路二极管也不是任何场合都需要的 当组件单独使用或并联使用时 是不需要接二极管的 对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合 也可以考虑不用旁路二极管 7 3蓄电池 蓄电池是一种化学电源 即能将电能转化为化学能储存 也
8、能通过其内部的化学反应向用电设备供电 1概述 太阳能蓄电池主要是蓄电用 对电池的容量要求较高 一般对电池不作深度放电 但电池一般长期在浮充状态下工作 故对电池耐过充的性能要求高一点 一般在隔板和电解质中做改进 放电深度 DepthofDischarge DOD 指用户在蓄电池使用的过程中 蓄电池放出的安时数占其标称容量安时数的百分比深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐化 导致蓄电池的内阻增大 严重时出现永久性损坏 荷电态 stateofcharge SOC 蓄电池充电到不能再吸收能量的状态定义为100 蓄电池不能再放出能量的状态定义为0 SOC 1 DOD 自放电 蓄电池在独立存贮期间容量逐
9、渐减少的现象 浮充 长期将蓄电池组并接在负载回路上 蓄电池保持少量的充电电流 并对波动的负载起补偿作用 正常情况下总有光伏电流电压加在蓄电池两端柱上 只要蓄电池电压低于光伏阵列直流电源 该电源就给蓄电池充电 当光伏阵列电源不够或完全没有电时 才启用蓄电池对负荷供电 这样就保证不中断负荷电源 2蓄电池的分类 酸性电池 铅酸蓄电池 碱性电池 镍镉蓄电池 蓄电池 其他 阀控式铅酸蓄电池VRLA ValueRegulatedLeadBattery特点 不需加酸加水密封结构 设有单向阀 铅酸蓄电池 AGM电池 采用AGM 玻璃纤维 隔板 电解液被吸附在隔板 可立放和倒放 为主导电池 GEL 胶体蓄电池
10、将铅酸蓄电池中的硫酸电解液换成硅胶电质 其工作原理仍与铅酸电池类似 硅胶电解质是用SiO2凝胶和一定浓度的H2SO4混合形成高分子聚合物 吸附H2O和H2SO4形成固体电解质 蓄电池的型号 6GFM500 单格数 特征 额定容量 3蓄电池的结构 蓄电池的结构 极板 隔板 电解液 外壳 极板 由栅架和活性物质组成 正极板 二氧化铅 PbO2 棕红色负极板 海绵状纯铅 Pb 深灰色 1 极板 极板组 极板 由栅架和活性物质组成 极板分正极板和负极板 隔板 在正 负极板间起绝缘作用 可使电池结构紧凑 A 隔板有许多微孔 让电解液畅通无阻 B 隔板一面平整 一面有沟槽 沟槽面对着正极板 使充放电时 电
11、解液能通过沟槽及时供给正极板 当正极板上的活性物质PbO2脱落时能迅速通过沟槽沉入容器底部 2 隔板 材料 硬橡胶 塑料两种 外壳上有链条和加液孔 3 壳体 链条 串联各单格电池 材料为铅 加液孔盖 注意孔盖上小孔的作用 蓄电池的每一个单格都有一个加液孔 为加注电解液和检测电解液密度所用 孔盖上有通气孔 该小孔应经常保持畅通 一便随时排除蓄电池化学反应放出的氢气和氧气 防止外壳涨列和发生事故 附件 电解液 用纯硫酸和蒸馏水按一定的比例配制成配制成的电解液比重一般在1 24 1 30g cm3之间 对电解液浓度的选择北方南方略有不同 4 电解液 4蓄电池的工作原理 1 电动势的产生正极板 PbO
12、2 Pb4 2e负极板 Pb 2e Pb2 两极板之间产生电位差 电动势 电动势的建立一个极板组的电动势也是2 1V要得到12V电压需串连6个单格 2 放电时化学反应为 正极板 Pb4 2e Pb2 Pb2 SO42 PbSO4附在正极板上 2 放电时化学反应 负极板 Pb 2e Pb2 Pb2 SO42 PbSO4附在负极板上 2 放电时化学反应总方程式为 PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O电解液中 H OH H2OSO4 减少正 负极上的PbSO4增加 内阻增加 电解液硫酸浓度降低 电池电动势降低 3 工作原理 放电过程 蓄电池放电终了特征 1 单格电池电压降到终止电压
13、2 电解液密度下降到最小许可值 4 工作原理 充电过程 蓄电池充电终了特征 1 电解液中有大量气泡冒出 呈沸腾状态 2 电解液密度和端电压上升到规定值 且2 3小时保持不变 1 锂电池 锂电池结构示意图 5其他新型储电装置 燃料蓄电池基本结构示意图 2 燃料蓄电池 超导储能系统结构示意图 3 超导储能 1 蓄电池的容量 处于完全充电状态的蓄电池在一定放电条件下 放电到规定的终止电压时所能给出的电量称为电池容量 以符号C表示 常用单位为安培小时 简称安时 A h 蓄电池容量的表示 额定容量 起动容量 储备容量 6电池常用术语 蓄电池的额定容量 国外也称标称容量 蓄电池在一定的放电条件下 电解液温
14、度为25 条件下 以10小时率放电电流放电至放电终了电压 单池平均电压降到1 75V时 输出的电量称为蓄电池的额定容量 1 额定容量 储备容量表示了汽车充电系统失效时蓄电池向汽车提供25A恒流的能力 蓄电池在电解液温度为25 条件下 以25A恒流放电电流连续放电 直至单池平均电压降到1 75V时的放电时间称为蓄电池的储备容量 2 储备容量 3 起动容量 常温起动容量 低温起动容量 3 起动容量 电解液在30 时 以3倍额定容量的电流持续放电至终止电压 12V蓄电池为8V 6V蓄电池为4V 所放出的电量称为常温起动容量 持续时间应在5min以上 电解液在 18 时 以3倍额定容量的电流持续放电至
15、终止电压 12V蓄电池为6V 6V蓄电池为3V 所放出的电量称为低温起动容量 持续时间应在2 5min以上 常温起动容量 低温起动容量 2 放电率 根据蓄电池放电电流的大小 分为小时率 时间率 和电流率 倍率 时间率是指一定放电条件下 放电至放电终止电压的时间长短 电池放电倍率越高 放电电流越大 放电时间就越短 放出的相应容量越少 3 终止电压 电池放电时电压下降到不宜再放电时 至少能再反复充电使用 的最低工作电压 4 循环寿命 蓄电池经历一次充电和放电 称为一次循环 一个周期 在一定放电条件下 电池使用至某一容量规定值之前 电池所能承受的循环次数 称为循环寿命 5 电池内阻 电池内阻有欧姆内
16、阻和极化内阻两部分 欧姆内阻主要由电极 料 隔壁 电解液 接线柱等构成 也与电池尺寸 结构及装配因素有关 极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起的 是电池放电或充电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻 独立光伏发电系统组成 独立光伏发电系统由光伏阵列 光伏控制器 蓄电池 电力电子变换器以及各种常用负载组成 7 4控制器 早期光伏控制器 主要用于控制蓄电池的充放电 使蓄电池在安全工作电压 电流范围内工作的装置 它的控制性能直接影响蓄电池使用寿命和系统效率 现代光伏控制器 蓄电池充放电控制最大功率点跟踪 MPPT 控制太阳光跟踪控制 1蓄电池充放电控制 蓄电池充电控制基本原理蓄电池过放电保护基本原理 蓄电池充电控制基本原理 图 蓄电池容量随温度的变化曲线电解液温度高时 在允许的温度范围内 离子运动速度加快 获得的动能增加 因此渗透力加强 从而使蓄电池内阻减小 扩散速度加快 电化反应加强 从而使电池容量增大 当电解液温度下降时 蓄电池过放电保护基本原理 循环寿命与放电深度的关系 DOD 2最大功率点跟踪 MPPT 控制 基本概念MPPT基本原理MPPT方法 基本概念一 最大功率点 MPP
