小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的研究

白小奇 陳凱 王康

摘要：本文研究的主要內(nèi)容是小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)，首先分析了小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的組成以及具體應用，其次對儲能設備及其原理展開深入分析，最后對小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的軟件設計展開探討。希望通過本文的研究，為小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的發(fā)展做出一定的貢獻。

關鍵詞：小功率;光伏發(fā)電;儲能系統(tǒng)

Abstract： The main content of this paper is the low-power photovoltaic power storage system. First， the composition and specific application of the low-power photovoltaic power storage system are analyzed. Secondly， the energy storage equipment and its principles are analyzed in depth， and finally the low-power photovoltaic power generation Discussion on the software design of energy storage system. It is hoped that through the research in this article， we can make a certain contribution to the development of low-power photovoltaic power generation and energy storage systems.

Keywords： low power; photovoltaic power generation; energy storage system

人類社會長期存在并繼續(xù)發(fā)展的基礎就是能源。目前，人類使用的能源以化石能源為主，但是化石能源的形成需要千百萬年，并且會對環(huán)境產(chǎn)生破壞。為此，全世界都認識到開發(fā)新能源的重要性。太陽能作為地球一切能量的來源，在未來很長的時間內(nèi)都將一直存在，無窮無盡地為人類提供生存必須的能量，而小功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)就是利用太陽能的典型案例。

1. 小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的組成及應用

1.1太陽能電池

太陽能電池這一設備可以將接收到的太陽能轉化為電能。在太陽能電池中，最基本的模塊是單體，每一個單體由一個單晶硅片制成。太陽能電池就是由數(shù)量不等的單體組成，單體根據(jù)負載的情況在模塊之間進行串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接，進而為用戶提供需要的電能。

1.2光伏發(fā)電控制器

為了提升太陽能電池發(fā)電的效率，可以使用光伏發(fā)電控制器。同時這種設備可以保證儲能設備在正常的狀態(tài)下運行。就輸出特性來說，太陽能電池與日照的強度、溫度存在著密切的關系。在儲能過程中，不能直接使用蓄電池充電的方式進行，那樣會導致電能的浪費。此外，在蓄電池充電時必須保證電壓處于穩(wěn)定的狀態(tài)，如果出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的狀況會直接導致蓄電池的使用壽命驟減。為了延長蓄電池的壽命，需要借助引入控制器控制電壓[1]。

1.3儲能設備

儲能設備的最大用處便是可以在日照充足的時候?qū)⒛芰看鎯ζ饋?，待到陰雨連綿或者夜晚時使用。儲能設備必須應對特殊的系統(tǒng)放電環(huán)境，為此儲能設備需要具備強大的放電能力、長久的使用壽命以及極低的自放電率，即未處于使用狀態(tài)下盡量避免放電?，F(xiàn)階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)中比較常用的是鉛酸蓄電池，但是這種蓄電池最大的劣勢在于使用壽命較短，因此其應用的廣泛性受到了限制。為了創(chuàng)造出性能更加優(yōu)越的光伏發(fā)電儲能設備，各方都在積極進行光伏發(fā)電的相關研究[2]。

1.4升壓電路

在負載工作時，需要對小功率光伏儲能系統(tǒng)的蓄電池輸出的電壓進行升壓，這是為了滿足負載工作高電壓的要求。光伏發(fā)電系統(tǒng)在一些較為偏遠，較為落后的地區(qū)可以充分發(fā)揮出優(yōu)勢，幫助這些地區(qū)進行基礎設施建設，使這些地區(qū)可以花費較低的成本完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設工作。同時，在城市的交通指示系統(tǒng)中也可以發(fā)揮出光伏儲能系統(tǒng)的作用，一些交通信號指示燈可以在天氣條件好時進行儲能，在陰雨天釋放。一些對光照要求不高的地方也有光伏發(fā)電的應用。

小功率的光伏發(fā)電儲能設備在幾年間的發(fā)展過程中逐漸強化了控制技術，并且在現(xiàn)實的應用中成績斐然，但是在實際應用中也顯露出一些問題。比如，小功率光伏發(fā)電設備缺少后期的維護，一些位于偏遠地區(qū)的電信號發(fā)射臺存在監(jiān)管上的盲區(qū)，即出現(xiàn)了難以繼續(xù)使用問題，也無人進行后期管理。此外太陽能的電池輸出效率本就不高，再加上蓄電池放電的管理不善，導致太陽能電池的使用壽命驟然降低[3]。

現(xiàn)階段對小功率光伏儲能設備的實時監(jiān)測研究不多，但是在未來，隨著自動控制技術的逐漸成熟，對光伏發(fā)電系統(tǒng)影響的逐漸深入，儲能設備將逐漸變得更加自動、更加高效也更加智能。

2. 儲能設備及其原理

在小功率的光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中，蓄電池是一個關鍵的部分，蓄電池有兩個作用，其一是為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供多余電能的存儲，其二是對負載進行供電。只有深入分析和研究管理儲能設備的方法，并提出適合的充放電管理方法，才能提高小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的工作效率。

2.1蓄電池荷電狀態(tài)

這一狀態(tài)就是蓄電池剩下的電荷量，也顯示了蓄電池的蓄電能力。時間乘以放電電流量等于蓄電池輸出的電荷量。

式中：

Qd是蓄電池輸出的電荷總量，In是放電電流在不同時刻的顯示，而對應電流放電的持續(xù)時間是t1-tn。

外界的因素極易對鉛酸蓄電池產(chǎn)生影響，因此為了測量鉛酸蓄電池的電荷狀態(tài)，只能采用估算，比如以下兩種：

2.1.1安時計量法

在這種計算方法中，蓄電池成為了一個密閉的空間，在這一空間中充電和放電吸收、消耗的能量被不斷記錄。這一方法可以跳過蓄電池內(nèi)較為復雜的化學反應，將化學反應變?yōu)殡娏窟M行監(jiān)測即可。

但是這一算法存在固有的弊端，就是判斷不精確蓄電池初始的SOC，這會隨著蓄電池工作時間的增加而不斷增加誤差。同時這種計算方法很少考慮外部環(huán)境的各項因素，使得SOC的精準度很難得到保證。在蓄電池的內(nèi)部，放電效率受到很多因素的影響，包括蓄電池本身的老化和電池溫度的變化。以任意一塊蓄電池為例，充電的電量和放電的電量不可能保持一致。這是因為在蓄電池充電的過程中，水解反應會消耗部分的電量，轉化為熱量并釋放了出來[4]。

2.1.2電動勢法

開路電壓法是電動勢法的前身，在靜置的狀態(tài)下，蓄電池內(nèi)部的電化學反應將會逐漸衰弱，一直到化學能與電能之間產(chǎn)生平衡。此時在蓄電池正負極上的差值就是電動勢，電動勢數(shù)值的大小與開路電壓值相等。

荷電狀態(tài)與電動勢之間相互對應，因此在估算蓄電池的SOC時，可以另辟蹊徑，從蓄電池的電動勢入手。蓄電池SOC的值可以先行測量出蓄電池的內(nèi)阻，之后計算出蓄電池的電動勢，進而通過電動勢與SOC之間的關系估算。但是使用這一方法不能考慮到蓄電池放電過程中的干擾因素，為了保證計算的精準，必須保證較高的電壓信號檢測精度[5]。

判斷SOC的初始值可以結合上述兩種方法，當兩種方法結合起來考慮時，可以估算出精度較高的荷電狀態(tài)。在恒流放電實驗中，可以得到電動勢與SOC之間的關系圖。關系圖呈曲線，將曲線分割成為眾多小段，再用線性代替每一段，在連接時使用多段線性，為了使擬合出來的曲線與實際工作的曲線更為接近，可以增加分段的段數(shù)，但是這種做法要求直接提升傳感器的精度要求，以及光伏發(fā)電控制器的計算量。為了避免這種負面影響，可以采用分割曲線化的方法。

2.2充電控制技術

現(xiàn)階段，為蓄電池充電的方法多種多樣，選擇性大大拓寬。但是一些使用者拘泥守舊，不肯放棄傳統(tǒng)充電方法，他們沒有意識到使用傳統(tǒng)的充電方法會導致充電電流過小，難以滿足蓄電池可以接受的電流，導致充電的時間被迫延長。而將要充滿電時充電的電流又會過大，蓄電池難以接受如此大的電流就會導致蓄電池的內(nèi)部出現(xiàn)過快的放熱現(xiàn)象，使得電池的溫度陡然提升，對蓄電池的使用壽命產(chǎn)生不利影響[6]。

在充電的過程中，蓄電池有著極為特殊且錯綜復雜的輸入特性，在充電的過程中，蓄電池內(nèi)部會產(chǎn)生復雜的、非線性的變化，產(chǎn)生的充電曲線將隨著充電速率的變化而產(chǎn)生變化。為了延長蓄電池的使用壽命，必須掌握科學的充電控制技術。將充電策略進行優(yōu)化可以大大提升蓄電池的使用壽命，不會減少蓄電池的使用壽命，還會額外減少使用成本。

美國科學家在20世紀對蓄電池的充電進行了大量的實踐研究，最終得出了快速的充電曲線這一不影響蓄電池容量和使用壽命的曲線圖，具體見圖3所示。

在蓄電池充電的過程中，可承受的充電電流與充電的時間成反比。這是因為在充電的過程中，蓄電池內(nèi)部逐漸形成極化電阻，對充電過程產(chǎn)生了阻礙。極化的現(xiàn)象并不是自始至終存在，而是需要蓄電池的電壓達到一個閾值之后，才會開始出現(xiàn)。鑒于此，蓄電池在充電過程中可以在未出現(xiàn)極化現(xiàn)象時使用較大的電流，而在出現(xiàn)極化現(xiàn)象之后使用較小的電流。這樣便可以在提高蓄電池充電效率的同時，減少蓄電池受到的損傷，以延長蓄電池的使用壽命[7]。

3. 軟件設計

3.1故障診斷程序設計

記錄設備在運行過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)，兩者之間進行對比可以發(fā)現(xiàn)一定的差異，而這些差異往往就是故障所在。一旦判斷為故障，相應的故障代碼就會經(jīng)由控制器發(fā)送到上位機中，接下來便會采取相應措施予以解決，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)受到的二次傷害。

（1）太陽能電池

判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的當前工作狀態(tài)可以參照太陽能電池輸出的電壓和電流。戶外一般是太陽能電池工作的主要場所，因此太陽能電池在工作的過程中必然會面對各種各樣、難以預測的外界環(huán)境的干擾，這些干擾會嚴重影響太陽能電池的工作狀態(tài)和工作效率。為此必須通過檢測太陽能電池的狀態(tài)，保證太陽能時刻處于正常的狀態(tài)下運行，一旦通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)太陽能電池板出現(xiàn)任何問題，可以在第一時間解決，這樣在最大程度上保障了太陽能電池可以在安全的狀態(tài)下運行。

（2）蓄電池

在小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中，蓄電池是一件十分復雜的器件，它的各項成本最高，并且極易產(chǎn)生損壞。當蓄電池受到損害時，系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性不能得到保障，會嚴重影響蓄電池的正常使用。為此在判斷蓄電池故障時，需要檢測蓄電池的狀態(tài)，并分析傳感器的數(shù)據(jù)與其之間的關系。在此基礎上，以實際的運行背景為參照。

3.2充放電管理程序設計

外界的環(huán)境的復雜性會對光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，比如太陽能電池的電壓會隨著時間的變化產(chǎn)生共鳴。蓄電池在光照充足的狀態(tài)下，在電池的容量達到額定容量后，太陽能充電板仍然會為蓄電池充電，這必然會損傷蓄電池。在陰雨連綿的天氣，光照條件不好的狀態(tài)下，蓄電池又會過度放電，同樣會對蓄電池造成損傷。為此，必須對從充電和放電兩方面管理蓄電池[8]。

判斷蓄電池當前的工作狀態(tài)可以參照荷電狀態(tài)，蓄電池的荷電狀態(tài)受到溫度影響很大。因此為了解決溫度對蓄電池荷電狀態(tài)判斷的影響，充放電管理系統(tǒng)采用了溫度補償技術，這種方法有著巨大的優(yōu)勢，既可以使系統(tǒng)電源更穩(wěn)定，也更加安全，可以使蓄電池得到保護，使用壽命也會得到增加。本研究的溫度補償系數(shù)選為3.3mV/℃，下面這一公式便顯示出電壓閾值發(fā)生的變化：

在公式中，修正之后的電壓值使用Vtc表示;采集到的電壓值使用Vn表示;補償系數(shù)使用Tc表示;溫度傳感器測量的溫度使用T表示;蓄電池的數(shù)量為N。蓄電池的電壓選用12V，在溫度為19攝氏度時，終止電壓為11.02V，溫度補償之后的溫度和電壓見表1所示。

溫度在19攝氏度時，是分界線，終止電壓在大于19攝氏度時，經(jīng)過溫度補償，電壓的值會降低，當終止電壓小于19攝氏度時，在溫度補償之后，電壓的值會升高。

4. 結束語

通過本文的研究可以得出以下結論，小功率光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的組成及應用包括太陽能電池、儲能設備以及升壓電路等。儲能設備及其原理包括蓄電池荷電狀態(tài)和充電控制技術，其中前者的計算方法包括安時計量和電動勢兩種方法。在小功率光伏發(fā)電設備的軟件設計中，需要設計故障診斷程序以及充電和放電管理程序。相信在不斷的探索中，未來的小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)將更加完備。

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