独立光伏系统蓄电池的选择

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。

[page]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■