电池专业知识培训资料.doc

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1、第一部分第一部分 光伏系统各部件介绍光伏系统各部件介绍前言前言 独立光伏系统的构成主要包括：光伏组件（阵列） 、蓄电池、逆变器、控制器。见下 图。下而我们分别加以讨论。图 光伏系统方框图光伏组件（阵列）光伏组件（阵列）一个光伏阵列包含两个或两个以上的光伏组件，具体需要多少个组件及如何连接组件与所 需电压（电流）及各个组件的参数有关。 光伏组件是由太阳能电池片群密封而成，是阵列的最小可换单元。目前大多数太阳能 电池片是单晶或多晶硅电池。这些电池正面用退水玻璃背面用软的东西封装。它就是光伏 系统中把辐射能转换成电能的部件。按照太阳电池的用途，目的、规模、太阳能电池的种类等有各种形状的太阳能电池 组

2、件，下面就几种典型的例子进行介绍。（一）（一）用于电子产品的组件用于电子产品的组件为驱动计算器手表，收音机、电视、充电器等电子产品，一般需一般需 1.5V1.5V 至数十伏的至数十伏的 电压。电压。而单个太阳电池产生的电压小于 1V，所以要驱动这些电子产品，必须使多个太阳电 池元件串联连接才能达到要求电压。下图示出了民用晶体太阳组件的结构，是把太阳电池元件排列好，串联连接做成组 件。可见，为驱动电子装置，需要一定的高压，而该组装方法存在问题是成本高，接线点 太多；从可靠性的观点来看接线点太多是不利的。太阳电池板控制器逆变器负载蓄电池图 民用晶体硅太阳电池组件的结构另一种是非晶硅太阳电池。因为非

3、晶硅是靠气体反应形成的，很容易形成薄膜，在 一块衬底上便于使多个单元电池串联连接而获得；较高的电压输出。（二）用于电力的组件（二）用于电力的组件电力用的太阳电池一般均安装在调用外，所以除太阳电池本身以外，还必须采用能 经受雨、风、砂尘和温度变化甚至冰雹袭击等的框架、支撑板和密封树脂等进行完好的保 护，现正研究各种电力用的太阳电池组件的结构。如图 8.6 中（a）所示的是衬片式结构，是在太阳电池的背后放一块衬片作为组件的支撑板， 其上用透明树脂将整个太阳电池封住。支撑板采用纤维钢化塑料（FRP）等。图各种结构晶硅太阳电池电力用组件的结构目前最常用的是上图所示的超光面式结构，在太阳电池的受光面放一

4、块透明基板作 组件的支撑板，其下用填充材料和背面被覆盖材料将太阳电池密封。上面的透明板用玻璃， 最好采用透明度和耐冲击强度均好的钢化白玻璃。填充材料主要采用在紫外光照射时透过 率衰减较小的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和耐湿性良好的乙烯乙酸乙烯（EVA） 。反面涂层多采 用金属铝同聚氟乙烯（PVF）夹心状结构，使其具有耐湿性和高绝缘性。此外，对可靠性要求特别高的应用，开发了一种新的封装方式，如下图（c） ，即在两 块玻璃板之间用树脂把太阳电池封入。随着非晶硅太阳电池的发展，也在研究采用同晶体硅太阳电池一样的超光面封装方式， 如下图所示，把集成型太阳电池衬底玻璃直接用作受光面的保护板，各单元电池的连

5、接也不用导线，所以能使组件的组装工艺变得特别简单。此外，图（b）所示的组件类型也 在研究之中。今后如更大面积太阳电池的研制取得进展的话，一般估计图（c）所示的单块 衬底型组件是更适合的，这样可以进一步使组件成本降低。图 采用非晶硅太阳电池的各种电力用组件的结构下 图分别给出一单晶硅太阳电池组件和非晶硅太阳电池组件与温度的关系和与光强 的关系。与单个电池的温度系数不同，这是因为组件中包括了接线部分的因素。图 太阳电池组件数输出特性与温度关系的实例(单晶硅电池组件的大小：30.2cm*121.7cm非单晶硅电池组件的大小：37.8cm*71.1cm)图 太阳电池组件输出特性与光强关系的实例(组件大

6、小同图)非晶硅太阳电池组件与单晶硅太阳组件相比，其输出对温度的关系较小，转换效率随 着光强的减小，在直线范围内比单晶硅的小。（三）聚光式组件（三）聚光式组件聚光式太阳电池发电系统是在聚焦的太阳光下工作的，有关这方面的研究工作最近 在美国取得了较大的进展。它分为透镜式和反光镜式两种。（1）透镜式聚光所必须的大面积凸透镜采用透镜，它是把分割的凸透镜曲面连接在一起。菲涅 耳透镜的形状有圆型和线型之分。如图 8.11（a）示出了线型菲涅耳透镜的实例，太阳光 聚焦于配置为点状或线状的太阳电池上。图 8.11.两种聚光方式太阳电池除了采用单晶硅太阳电池以外，常采用转换效率较高的砷化镓太阳电池。在 圆型菲涅

7、耳透镜、聚光比为 5001000 倍的点聚焦情况下，单晶硅太阳电池的转换效率达单晶硅太阳电池的转换效率达 151517%17%而砷化镓太阳电池的达到而砷化镓太阳电池的达到 181820%20%。（2 2）反光镜式）反光镜式反光镜式又有两种形式，一种是采用抛物面镜，太阳电池则放在其焦点上，另一种 是底面放置太阳电池，侧面配置反光镜，如图 8.11（b）所示的槽形抛物面镜的形式较为 常用。此外还有其它方式,如图 8.12（a）所示为荧光聚光板型太阳电池，是把所吸收的太 阳电池光通过荧光板变为荧光，荧光在荧光板内传播，最后被聚集于放置着太阳电池的端 部。 现在这种荧光聚光板型太阳电池已能做到面积为

8、1m2的效率为 1%；面积为 1600cm2的， 效率为 2.5%。另外在该方式中，正在研究如图 8.12（b）所示的波长为分割型的荧光聚光 板型太阳电池，其关键问题是要降低荧光板的价格，提高发光效率，以及提高可靠性等。图 8.12 荧光聚光板型太阳电池( (四四) )混合型组件混合型组件光热混合型组件是为更有效地利用太阳能，让太阳光发电又发热的器件。这种混合 型组件有聚光型光热混合型组件和聚热器型光热混合型组件。聚光型光热混合组件如图 8.13 所示，聚光型太阳电池背面通过导热媒介物进行聚 热。新能源综合开发机构（NEDO）委托研究做系统能得到 5KW 的电输出，25KW 的热输出。图 8.

9、13 聚光型光热混合型组件聚热型光热混合型组件是将太阳电池连接到聚热板上而发电的。图 8.14 所示为在真 空玻璃管型聚热板上形成非晶硅太阳电池的混合型组件。图 8.14 采用非晶硅太阳电池的光热混合型组件非晶硅太阳电池因为在可见光范围吸收系数很大，而在红外线范围反射系数大，所 以也起着良好的选择吸收膜的作用，如图 8.15 所示。图 8.15 非晶硅太阳电池作为选择吸收膜的特性非晶硅太阳电池被密封真空玻璃管内，所以不要包封，太阳能的总转换 效率达 58%其中电能转换 5%，热能转换 53%。这对降低成本很有好处。目前，上海交通大学，就用物理系，太阳能研究所采用结晶硅太阳电池电力用组件 的封装

10、方式，整个组件效率达 15%，达到全国先进水平。有四个因素决定了光伏组件的输出功率：负载电阻、太阳辐照度，电池温度和光伏有四个因素决定了光伏组件的输出功率：负载电阻、太阳辐照度，电池温度和光伏 电池的效率电池的效率。对于给定的组件的输出可由其电流电压（IV）曲线来估算。如图 8.16 所示,在 某一温度（T）下太阳的照度也为一定的情况下，通过测定得了的数据绘出了些图，从图 8.15 中可知有开路电压（VOC） ，短路电流（ISC） ，最大功率点 m 处的电流（Imp）和电压 （Vmp）可得组件的功率 Wm=ImpVmp。图 8.16 光伏组件的 I-V 特性图对于一个给定的电池面积，电流与太阳

11、辐照度成正比且几乎与温度无关，而电压 （功率）随温度升高而下降。一般来说，晶体硅电池的电压降为 0.5%/C。由此可以看到 组件的温度对其功率的输出影响较大，所以阵列要安装在通风的地方，以保持凉爽；不能IVIsc ImpmVmpVoc在一个屋顶或同一个支撑结构上安装过多的组件。光伏阵列的任何部分不能被遮荫，它不像太阳能集热器，如果遮住了光伏组件必须 有相同的电流。如果有几个电池被遮荫，则它们便不会产生电流且会成为反向偏压，这就 意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮挡是不可避免的， 所以需要用旁路二极管来起保护作用。如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，如果所有

12、的组件是并联的，就不需要旁路二极管， 即如果要求阵列输出电压为 12V，而每个组件的输出恰为 12V，则不需要对每个组件加旁路 二极管，如果要求 24V 阵列（或者更高） ，那么必须有 2 个（或者更多的）组件串联，这时 就需要加上旁路二极管，如图 8.17 所示,图 8.17 带旁路二极管的串联电池图 8.18 对于 24V 阵列阻塞二极管的接法阻塞二极管是用来控制光伏系统中电流的。任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池 流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。如果控制器没有这项功能的话， 就要用到阻塞二极管，如图 8.18 阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之

13、间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如 图 8.18）以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在 小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，不要两种都用，因为每个二极管会降压 0.40.7V 是一个 12V 系统的 6%，这也是不小的一个比例。蓄电池蓄电池组件组件组件组件+-DC24V组件组件组件组件+-DC24V阻塞二极管蓄电池是用来将光伏阵列产生的电能（直流）存储起来供后级负载（逆变器和交流 负载）使用的部件，在独立光伏系统中，一般都需要控制器来控制其充电状态和放电深度， 以保护蓄电池延长其使用寿命。深度循环电池是用较大的

14、电极板制成，可承受标定的充放电次数深度循环电池是用较大的电极板制成，可承受标定的充放电次数。循环次数取决于放电深 度，放电速度，充电前的时间，充电速率等等。浅循环电池使用较轻的电极板。浅循环电浅循环电池使用较轻的电极板。浅循环电 池不能象深度循环电池那样多次地循环使用。完全放电一两次常常就会损坏池不能象深度循环电池那样多次地循环使用。完全放电一两次常常就会损坏，因此它们不 能在某些光伏系统中。有些蓄电池电解质是胶体，这种胶体电解质电池易于维护，因为它 通常是密封的，当电池翻转也不会泄露。大多数密封电池有放气口可放出氢气，但是却不 允许添加电解液，它们可能被 标定为深度循环电池，但它们通常比工业

15、级湿性蓄电池的循 环次数要少。有电解液的电池可能是密封的，或者有一个小帽，这样就可以向其中添加蒸有电解液的电池可能是密封的，或者有一个小帽，这样就可以向其中添加蒸 馏水了。馏水了。通常当电池容易大于 100Ah 时，电池是开放的，对于湿性蓄电池应按时添加电解 液（蒸馏水） 。镍镉电池在有些国家使用，它们通常比铅酸电池贵，但镍镉电池寿命长，维修率低，镍镉电池在有些国家使用，它们通常比铅酸电池贵，但镍镉电池寿命长，维修率低， 耐用，可承受极热极冷的温度，而且可以完全放电。耐用，可承受极热极冷的温度，而且可以完全放电。由于可以完全放电，在某些系统中控 制器就可以省下来不用了。请注意：如果要为镍镉电池

16、配置控制器，则必须提出要求，由 供应商提供，而不能用一般的控制器,因为一般提供的控制器是为铅酸电池设计的，其所控 的充电程度不同于镉电池。由此可知，控制器并不能通用。用在独立光伏系统的电池应是深度循环大负载类型的。由于极板材料铅较软，所以 要加一些如锑或钙之类的元素以加强铅板的硬度，这样可改善电池的性能。铅铅锑电池可锑电池可 承受深度放电，但因为水耗散大，需要定期维护。承受深度放电，但因为水耗散大，需要定期维护。铅-钙电池可以有几次深度级放电，它们 首期投入成本低，但寿命却低于铅酸电池。大多数电池有酸性或腐蚀性物质，如果操作不当就比较危险甚至危及生命。对于开放式对于开放式 电池在充电时会产生具

17、有爆炸性的氢气电池在充电时会产生具有爆炸性的氢气。这些电池需摆放在通风良好的地方。系统电器元 件不能安装在电池附近，因为其所产生的火花可能会点燃氢气。同时铅酸电池的酸性气体 会腐蚀和损坏电子元件。可用复合剂或催化剂的电池盖以用氧将氢气化合成液态水流回电 解液。这些盖子有 35 年寿命，但还要定期检查和清洗以保证其动行良好。任何电池对于 人类尤其是儿童，还有动物都是具有危险性的，所以应有经验的人操作，同时，要保持输 出端有盖子，因为一个典型的光伏系统在输出端短路时能产生 6000A 的电流，尽管这个电 流仅持续几毫秒，但是以将工具弧焊在输出端上，而且电压越高，危害越大。当电压高于当电压高于 24

18、V24V 时电击可以引起生命危险时电击可以引起生命危险；在 12V 电压下，如果电池偶然短路，大电流能引起火灾。 所以在电池周围工作时应使用防护工具如手套，胶鞋，护目镜。电池一般很重，所以在搬 动时须注意，不要闪了腰。下面介绍一下蓄电池的特性，了解这些特性可以使我们更好地使用它们。一、一、放电深度，放电深度，它以电池容量的百分数表示，标定容量可以从电池外壳上或说明书 上获得。电池所能承受的放电容量与其结构有关。绝大多数普通电池有电活性 的铅合金板，浸没于稀的电解液中，板可分为普兰特式（纯铅） ，涂浆极板式和 管式。电极可用不同的厚度，不同的合金（如铅钙，铅锑合金）以用于不同类 型的电池。一般来

19、说，电极板越大则蓄电池所能承受的充放电程度等的性能就越好。电池工作有浅循环和深循环之分。浅循环电池较轻，较便宜，但是如果 经常过规定的放电的深度则寿命会大大降低。许多密封式电池（即所谓的免维 护电池）就是浅循环电池，一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的一般的浅循环电池的放电量不应超过电池容量的 25%25%。 深度循环电池中独立光伏系统中经常使用的电池，其极板厚度大，可承受的放深度循环电池中独立光伏系统中经常使用的电池，其极板厚度大，可承受的放 电量为其容量的电量为其容量的 80%80%，绝大多数此类电池是湿性电池，其极板是由电解液浸泡 的。电解液的液面需要经常检查，并定期加入蒸馏水以保

20、证电极是被淹没的。电解液的液面需要经常检查，并定期加入蒸馏水以保证电极是被淹没的。对于镍镉电池，我们前面已经提到过了。我们知道虽然其价格昂贵但能在恶劣的环 境下工作，且可完全放电而不会损坏，电解液不会冻住，也可以省去系统中的控制器这一 部分。 、二、二、温度校正温度校正：电池对温度较为敏感，一个温度较低的电池比一个温度较高的电池 提供的电能要少。如图 8.19 所示，一个处于 25的电池如果以 C/20 的放电流 进行放电（C 为电池标定容量）则可以提供 100%的能量（电池的标定能量） 。而 在-20时凡例 C/20 速率放电只能提供 75%的能量，如果放电速率升高到如图 所示的 C/5，则

21、其只能输出 50%的能量。从图中还可看到在同一温度下，放电速 率升高则输出能量降低。尽管如图所示,温度高就可以得到甚至高于额定容量的 能量，但是发热温度会减少电池的寿命，所以还是应该避免的，应使蓄电池的 工作温度处于室温附近。图 8.19 铅酸电池容量与温度的关系图三、电池额定容量：即电池在某一特定温度和放电速率下所能产生的最大能量。当 电池用于光伏系统中，您不可能反复用到额定容量，然而额定容量设置了一个基线用以比 较电池的性能。须注意的是，如果比较不同电池的额定容量时，须在同一温度下使用相同 的放电速度。四、充电状态（SOC）：为某一时刻电池所剩容量的百分数。它等于用 1 减去放电深 度的百

22、分数。五、电池寿命：电池寿命由许多因素决定如放电速率，放电深度，循环次数和工作 温度等，所以电池寿命很难预测。对于光伏系统来说很少有铅酸电池的寿命超过 15 年的， 一般是 510510 年年。镍镉电池在相同的条件下可工作更长时间，在最优化条件下，可稳定地工作 15 年以上。最后我们再讲点电池的维护和在寒冷的环境中使用的一些问题。在较冷的环境中， 铅酸电池的电解液可能会冻住。结冰温度是电池充电状态的函数结冰温度是电池充电状态的函数。当电池完全放电时，在当电池完全放电时，在 零下几度电解液就冻住了，而当电池充满电时（此时重量大约为标称重量的零下几度电解液就冻住了，而当电池充满电时（此时重量大约为

23、标称重量的 1.241.24 倍）电解倍）电解 液能耐住零下液能耐住零下 5050的低温。的低温。在寒冷的天气中，通常是将电池置于电池盒中，并将电池盒埋 入地下以保持恒定的温度。镍镉电池在寒冷的天气中不会损坏。我们知道任何电池均需要 定期维护，即使是密封的“免维护”的电池我们也应定期检查其接头是否牢固，清洁和无 损伤。对于电解液电池电解液应始终保持守全浸没极板的状态，同时电压和标定重量也需 要合乎要求。逆变器逆变器逆变器是一种功率调查装置，对于使用交流负载的独立光伏系统来说，逆变器是必要 的。逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压的大小逆变器的选择的一个重要因素就是您所设定的直流电压

24、的大小。逆变器的输出可分为 直流输出和交流输出两类。对于直流输出我们称之为变换器，是直流电压到直流电压的转 换，这样可以提供不同的电压的直流负载工作所需的电压。对交流输出，我们需要考虑的 除了输出功率和电压外，还应考虑其波形和频率。在输入端须注意逆变器所要求的直流电 压和所能承受的浪涌能力的电压的变化。逆变器的选择会影响到光伏系统的性能可靠性和成本。通常除了阵列和蓄电池，逆变 器是最贵的了。所以下面介绍一下逆变器有关特性。总的说来其特性参数有：输出波形，功率转换效率，标称功率，输入电压，电压调整， 电压保护，频率，调制性功率因子，无功电流，大小及重量，音频和 RF 噪音，表头和开关， 有些逆变

25、器还具有电池充电遥控操作，负载转换开关，并联运行的功能。独立逆变器一般在直流 12V，24V，48V 或 120V 电压输入时可产生 120V 或 240V 频率 为 50Hz 或 60Hz 的交流电。选择逆变器输入电压非常重要，这在后面的设计中介绍。输出波形输出波形是一个重要参数，逆变器通常根据其输出波形来分类：1）方波 2）类正弦 波 3）正弦波。方形波逆变器相对较便宜，效率可达 90%以上，高谐波，小的输出电压调整， 它们的适用于阻抗型负载和白炽灯。类正弦波逆变器在输出可用脉宽提高电压调整，效率 可 90%，它们可用来带动灯，电子设备和大多数电机等各种负载。然而它们在带动电机时 由于谐波

26、能量损失而比正弦波逆变器带动效率低。正弦波逆变器产生的交流波形与大我数 电子设备产生的波形一样好。它们可以驱动任何交流负载（在功率范围内） 。通常，逆变器 的规格可在计算值的基础上增加 25%，这一裕度可以增加该部件工作的可靠性，也可以满 足负载的适量增加。对于小负载需求，所有逆变器的效率都是比较低的；当负载需求超过对于小负载需求，所有逆变器的效率都是比较低的；当负载需求超过 标称负载的标称负载的 50%50%以上，逆变器的效率即可达标称效率（大约以上，逆变器的效率即可达标称效率（大约 90%90%左右）左右） 。下面是对有些参数的说明：（1）功率转换效率：其值等于逆变器输出功率除以输入 功率

27、，逆变器的效率会因负载的不同而有很大变化。 （2）输入电压：由交（直）流负载所 需的功率和电压决定。一般负载越大，所需的逆变器的输入电压就越高一般负载越大，所需的逆变器的输入电压就越高。 （3）抗浪涌能力：大多数逆变器可超过它的额定功率有限的时间（几秒钟） ，有些变压器和交流电机需要比正 常工作高几倍的起动电流（一般也仅持续几秒钟）对这些特殊负载的浪涌要求应测量出来。（4）静态电流：这是在逆变器不带负载（无功耗）时，其本身所用的电流（功率） ，这个 参数对于长期带小负载的情况下是很重要的，当负载不大时，逆变器的效率是极低的。 （5）电压调整：这意味着输出电压的多样性。较多的系统在一个大的负载范

28、围内，均方根 输出电压接近常数。 （6）电压保护：逆变器在直流电压过高时就会损坏。而逆变器的前级 蓄电池在过充电时逆变器的直流输入电压就会超过标称值，如，一个 12V 的蓄电池在过 充电以后可能会达到 16V 或者更高，这时就有可能破坏后级所连的逆变器。所以作控制器 来控制蓄电池的充电状态是十分必要的。在无控制器时逆变器须有检查测试保护电路，当 电池电压高于设定值时，保护电路会将逆变器断开。 （7）频率：我国的交流负载是在 50Hz 的频率下进行工作的。而高质量的设备需要精确的频率调整，因为频率偏差会引起表和电 子计时器性能的下降。 （8）调制性：在有些系统中用多个逆变器非常有利，这些逆变器可

29、 并联起来带动不同的负载。有时为了防止出现故障，用手动负载开关使一个逆变器可满足 电路的特定负载要求。增加此开关提高了系统的可靠性。 （9）功率因子：逆变器产生的电 流与电压间的相位差的余弦值即为功率因子，对于阻抗型负载，功率因子为 1，但对感抗 型负载（户用系统中常用负载）功率因子会下降，有时可能低于 0.5。功率因子由负载确功率因子由负载确 定而不是由逆变器确定。定而不是由逆变器确定。下面介绍几种典型的、常用的逆变器的原理图及原理介绍。按振荡方式可分为他激 式和自激式两大类。(一)他激式逆变器他激逆变器电路工作框图如下：图 8.20 他激式逆变器电路框图图 8.21 他激式逆变器电路原理图

30、如图 8.21 所示,我们可以用 NE555 集成电路作为振荡源，NE555 提供稳定的方波， 经晶体管 T1、T2 放大后经变压器输出，以驱动负载，T3管可改善启动特性和提高效率。他 激式电路的优点是频率稳定，抗干扰能力强；缺点是逆变器效率不高，工作点调整困难。直流源振荡源信号放大输出变压器(二)自激式逆变器自激工逆变器电路工作框图如下：图 8.22 自激工逆变器电路工作框图图 8.23 自激式逆变器电路原理图自激式逆变器电路如图 8.23 所示，图中左半部分是蓄电池过充、放电保护电路，右 半部是最简单的单管自激式逆变器电路。L1、L2是输出变压器，L3是反馈线圈。电源接通 时，面过 R1使

31、 T1导通，使 I1增加，则 I1I3I1，正反馈使 T1进入饱和。电容 C1电 位不断降低。当 I1达到饱和值时，电感电流 I30，T1管的 Vbe 被钳位到某一负电位，晶体 管 T1迅速截止，I10 电源又通过 R1给 C1充电，当电容端电压达到一定值时 T1管重新导通， 这样 T1管周期性地从饱和区进入截止区，在线圈 L2上产生了交流电输出。（二）单相逆变器如图 8.24 所示，在 50 或 60Hz 频率下同步交替地接通 T1/T4或 T2/T3，因负载可能 为电抗性的，负载电流和电压也可能反相，所以电路中必须要有二极管。当 V0为正时 （T1，T4导通） ，i0可能为负（电流通过与

32、T1和 T4平行的两个二极管） 。图 8.24 单向逆变器虽然 180脉冲波形比较容易得到，但它却包括大量的三次谐波和五次谐波。120脉直流源逆变放大输出变压器正反馈冲波形包括含较少的谐波，特别是它不含三次谐波。脉冲宽度调制技术进一步减少低次谐 波。如图 8.25 所示。图 8.25 输出波形如果用上晶体管的第三条腿和二极管，这个电路还能产生三相交流电。这种单相 逆变器是商业上不间断电源（UPS）的基础，它能作为计算机等电器设备提供应急的交流电。控制器控制器在大多数光伏系统中都用到了控制器以保护蓄电池免于过充或过放。过充可能使电池 中的电解液汽化，造成故障，而电池过放会引起电池过早失效。过充过

33、放均有可能损害负 载。所以控制器是您光伏系统中重要的部件，如果它不能正常工作，那么造成的后果就是 您可能一下损失几万元。控制器效率为用 1 减去控制器在系统中引起损耗的百分数。控制器的功能是依靠电池的充电状态（SOC）来控制系统。当电池快要充满时控制器 就会断开部分或全部的阵列电流；当电池放电低于预设水平时，全部或部分负载就会被断 开（此时控制器包含有低压断路功能） 。大多数控制器测量电池电压以估计充电状态，然而 这并不准确，如图 8.26 可知，在接近过充时电压变化不大。T1 T4T2 T3T1 T4T1 T4T2 T3T1 T4T1 T3T2 T4TTTV01800脉冲1200脉冲脉冲宽度

34、调制SOCV(v) ) 151250100% 10%图 8.26 典型的电池充电状态曲线电池的温度，使用年限、类型和充/放电速率也影响这个曲线。测量电池温度可提高 SOC 状态的估计，许多控制器就带有测温探头。如果电池与环境温度相差+5C 时，就应该 使用带温度补偿的控制器。控制器有两个动作设定点，使控制器动作以保护电池。每个控制点有一个动作补偿 设置点。如，一个 12V 的电池，控制器的阵列断路电压通常设定在 14V，这样当电池电压 达到这个值时，控制器就会把阵列断开，一般此时电池电压会迅速降到 13V；控制器的阵 列再接通电压通常设在 12.8V，这样当电池电压降到 12.8V 时，控制器

35、动作，把阵列接到 电池上继续对电池充电。同样地，当电压达到 11.5V 时，负载被断开，直到电压达到 12.4V 以后才能再接通。有些控制器的这些接通/断电压在一定范围内是可调的，这一性能 非常有用，可监控电池的使用。在使用时控制器电压必须与系统的标称电压相一致，且必须能控制光伏阵列产生的最 大电流，用 1.25V 乘以阵列的短路电流 ISC，这样的控制器可承受由于云聚焦而产生的短暂 的大电流。 （根据独立光伏系统和国家电气标准提供的这个因子较为保守为 1.56）这 个最大电流和系统电压是购买控制器所必要考虑的两个参数，而控制器的其它特性参数有： 效率,温度补偿，反向电流保护，显示表或状态灯，

36、可调设置点（高压断路，高压接通，低 压断路，低压按通） ，低压报警，最大功率跟踪等。其中，反向电流保护是防止电流在夜间 由电池倒流回光伏阵列。大多数控制器用阻塞二极管来阻止这个电流，如图 8.18。大部分 小的控制器包括有低压断路（LVD）功能可以切断负载。用促发灯，蜂鸣器可以警示用户采 取措施或者打开另一电力供应装置。我们知道，随着所需电流的增加，控制器的成本迅速增加。对于用在 12V（24V）电 流达到 30A 的系统中的控制器价格还可以接受，而当所需电流达到 100A 时控制器的价格就 要贵 5 倍左右。开关 100A 以上电流的控制器就需要定做了。为此，一种用以控制超过 100A 的方

37、法是把控制器并联起来，用 5 个 20A 的控制器，比用一个 100A 的控制器要便宜 得多。只是阵列必须分开与各个控制器连接，每一个控制器分别接线，在接电池前再合并。 各个控制器的促动水平会有所差异，但影响不大。所有的阵列电流都用来给电池充电直到 达到了最低的促动电压，这时一个控制器将会把相应的阵列切断，而其它的控制器仍继续 允许电流流过，直到电压达到了它们各自的值。在光伏系统中有两种基本的控制器类型：一是分路控制器，用以更改或分路电池充 电电流。这些控制器带有一个大的散热器以散发由多余电流产生的热量。大多数的分路控 制器是为 30A 以下电流的系统设计的。另一类是串联控制器，通过断开光伏阵

38、列来断开充 电电流。分路控制器和串联控制器也可分许多类，但总的说来这两类控制器都可设计成单 阶段或多阶段工作方式。单阶段控制器是在电压达到最高水平时才断开阵列；而多阶段控 制器在电池接近满充电时允许以不同的电流充电，这是一种有效的充电方法。当电池接近 满充电状态时，其内阻增加，用小电流充电，这样减少了能量损失。第三部分第三部分 独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供独立光伏电站（集中供电）及用户光伏系统（分散供电）电） 的设计，安装及维修。的设计，安装及维修。独立光伏电站是独立光伏系统中规模较大的应用。它的主要特点就是集中供电，如 在一个十几户的村庄就可建立光伏电站来利用太阳能，当然这

39、是在该村庄地理位置较偏远， 无法直接利用电力公司电能的情况下，所能用到的方法。用这种方式供电便于统一管理和 维护。而户用系统是采用分散供电的方式提供电能，如果要在该村庄安装户用光伏系统， 这样每一户都得需这么一套光伏系统，它比起独立光伏电站来，所需的元器件规格要小， 控制器、逆变器和蓄电池及负载都比较小，但是独立光伏电站和户用光伏系统基本结构是 完全一致的，我们将它们统称为独立光伏系统，下面我们就介绍这种独立光伏系统的设计， 安装和维修。独立光伏系统的设计独立光伏系统的设计如图 8.27，所示，系统设计工作从收集太阳能数据和计算负载大小开始，然后确定 系统各部分规格， （蓄电池、控制器、逆变器

40、） ，然后选择适当的导线进行安装，这才是整 个的设计过程，当然一个完整的系统设计还应包括操作和维修的计划。图 8.27 系统设计框图在系统设计正式开始之前，设计者应尽量做到：（1）设计尽量简单化，这样可以提 高系统的可靠性。 （2）了解系统的效率，适当设计系统效率，若不合实际地把效率定在 99%以 上，其成本是昂贵的。 （3）在估算负载时要考虑周到，并要有一定的裕度。 （4）反复计算 核查当地的天气资源，获得该地区的太阳辐射能资源，对太阳辐射的错误估计将会大大影 响系统的作用。 （5）在设计系统前了解安装地点，去当地考察一下，这样对设备安置走线， 保护和地带特性都有所了解。此外还要做到：仔细安

41、装系统，安全第一，定期维修。系统设计者知道在设计光伏系统中，每一个决定都将影响到它的成本。如果由于不现 实的要求而使系统过大，将使系统首期成本有不必要的增长。若使用不耐用的部分，则维 修和替换成本将增加。如果在系统设计过程中选择不正确则很容易使整个系统寿命周期成 本翻一番。在设计您的光伏系统时要符合实际、灵活的原则。操作和维修 计划系统设计系统规格负载计算太阳能数据对太阳辐照前面已经讲过这里就不再重复了。任何一个光伏系统设计者的第一项工作是确定系统的负载。这些负载估算是设计及独 立光伏系统成本的重要因素之一。一个电器所需的功率可以测量出来或由制造商提供。然 后把电器每日，每周，每月所用的时间估

42、算出来。对户用系统（和其它许多系统）负载所 用的时间是可以控制的。实际上，每个电器所估算使用时间须再加裕量（如 10%等） ，不过 这将增加光伏系统的规格和成本。对于经常使用的物品的替代（或考虑大的或可变负载决 定他们是否可省去由其它来源的能量供电） ，如用荧光灯替代白炽灯，它们在提供同样的光 强时荧光灯与白炽灯相比耗电很少。由于使用了逆变器，增加了系统复杂性，在直流变交 流过程中产生 1015%的损失，这样在估算负载时需考虑这一项。如果使用直流负载如直流 节能灯等，就可以避免直流变交流的这部分损失，直流灯和电器通常较贵，但效率高，使 用寿命长，而交流电器种类繁多，但效率通常较低。对独立光做系

43、统的工作电压的选择决定于负载所需的电压和总的电流。如果系统电压设置成为与最大负载电压相等，则这些负载可直接到系统的输出端。 然而，对于限制电流为 100A 的系统的任何部分，在任何电源电路中电流应在 20A 以下，使 电流低于推荐值就可使用标准的、普通的电气设备和导线。当负载需要交流电源时，直流 系统电压应根据逆变器的特性而定。一些基本的规则有：（1）直流负载电压通常是 12V 或 12V 的倍数，如 24V、36V，48V 等，对直流系统，系统电 压应为最大负载所需的电压。大多数直流光伏系统在 12V 下小于 1 千瓦。此时最大电流应 为 1000/12=83。3A。 、（2）如果负载需不同

44、的直流电压，选择具有最大电流的电压作为系统电压，对于负载所需 电压与系统电压不一致时可用直流直流转换器来提供所需的电压。（3）独立光伏系统的绝大多数交流负载在 120V 下工作。研究逆变器的有关说明，会得到 关于总的或瞬时所需交流功率的说明。选择一个能满足负载和保持直流电流小于 100A 的逆 变器。在忽略功率因子和损耗的情况下，下列等式成立：交流功率=（交流电压）（交流电流）直流功率=（直流电压）（直流电流）例如：如果交流负载是 2400 瓦，交流电压是 120V，则交流电流需 20A。 （不包括逆 变器损耗）直流功率也为 2400 瓦，如果是 12V 逆变器则应为 200A，这是不可行的。

45、用 24V 或 48V 逆变器使电流输入为 100A 或 50A。切记，当电流值升高时，导线和开关的成本亦会当电流值升高时，导线和开关的成本亦会 升高。升高。选择逆变器是相当重要的，它影响系统的特性和成本。通常，效率和功率调整能力 在较高直流电压下更好，如一个 48V 的系统通常比一个 12V 的系统更有效。在确定系统电压时，应从各方面收集关于逆变器，可用性，成本和容量信息等。另一个需要考虑的因素是当电压增加时，在阵列和存储子系统中基本结构单元也 变大了。例如，一个 48V 系统有 4 块光伏组件串联而形成了基本的结构单元。给系统增加 一点电流意味着要买 4 块附加的光伏组件。然而高的电压具有

46、只需小的电流就可以达到同 样功率的优点。因为大的电流意味着大的导线尺寸，昂贵和较难找到保险、开关和接触器 等。成本，元件效率和开关对于一个好的系统设计是至关重要的。独立光伏系统的安装独立光伏系统的安装在主要部件都已选择好，那就应该把各个部件连起来成为一个工作系统。选择正确 的导线，连接器和保护元件（如开关，保险等）是非常重要的，它们可以保证一个系统工 作 20 年以上。用合适的工具工作以维持长久连接，记住，整个系统的性能及可靠性依赖于 每一个连接。如果能正确地使用、良好地设计和认真地安装，那么独立光伏系统将会成为 20 年以 上的可靠的能量来源。阵列的安装：独立光伏系统的阵列的安装有许多独特和

47、创新的方法。但在安装中总 有一些共同的问题，如阵列是固定式的还是跟踪式的？是安装在地上，杆上或是建筑物上？ 在阵列小系统中必须安装一个开关或断路器，这样在维修阵列时能断开阵列。阵列回路中 的保险和电缆应可承受最大电流，即由短期即由短期“云聚焦云聚焦”形成的在形成的在 1000W/m1000W/m2 2照度下短路电流照度下短路电流 的的 1.51.5 倍倍。为了使光伏阵列安装的牢固，并且可长年承受各种天气的考验。无论是买还是 自己安装框架都要保证它的稳定和组件的牢靠。如果阵列是跟踪式的，建议使用单轴跟踪 系统，它只需要很少的控制和能量。跟踪系统可使阵列准确地跟踪太阳。在有大风的地区， 应该使用电

48、力驱动的跟踪。如果需要在屋顶安装，那么要保证阵列下面允许新鲜的空气通 过，如果阵列离开屋顶至少 3 英寸时，阵列上组件的温度就不会升高。蓄电池的安装。电池是必须保护的部件。如果会出现结冰温度，那么电池必须安装在 水密性的盒子内并埋于地下霜冻线以下或者是将电池置于能保持温度高于 0 度的建筑物中。 如果要埋电池，应选择一个排水性良好的地点，且为电池挖一个排水孔。电池不应直接放 在水泥面上，因为这样会增加自放电，这种情况在表面潮湿的水泥面上更为严重。如果用 开放式电池则必须提供放气，以免引起爆炸。任何电池均应放在那些非专业人员接触不到 的地方，尤其是不要让小孩靠近电池。控制器和逆变器通常会与开关、

49、保险等安装在控制中心内。控制器必须安装在接线盒 中，且能把其他元件如二极管等固定在其上。过热会缩短电池寿命，故接线盒应安置在荫故接线盒应安置在荫 凉通风的地方。控制器不要与电池安装在一起，因为电池产生的腐蚀气体可能引起电子元凉通风的地方。控制器不要与电池安装在一起，因为电池产生的腐蚀气体可能引起电子元 件失效。件失效。逆变器应安装在可控制环境中，因为过高的温度和大量的灰尘会减少逆变器的寿 命且可能引起故障。逆变器也不应同电池安装在同一盒内，因为腐蚀性气体破坏电子元件 而逆变器开关动作时产生的火花可能会引起爆炸。但是为了减少导线的阻抗损失，逆变器 应安装在尽可能靠近电池的地方。在逆变为交流电时，因为交流电压通常比直流电压高， 所以逆变器的输出端的导线尺寸可以缩小一些。逆变器的输入输出回路应有保险或断路器。 这些保险器件应安装在醒目的位置上，且其上标注清晰。在大多数地区建议在逆变器的输入端使用浪涌保护器以防止闪电引起的冲击电流。用像促动器这类部件可把浪涌电流旁路 入地，这样，闪电可能会损坏