【導讀】太陽能電池的生產(chǎn)技術不斷得到提高,并且日益廣泛地應用于各個領域。特別是郵電通信方面,由于近年來通信行業(yè)的迅猛發(fā)展,對通信電源的要求也越來越高,所以穩(wěn)定可靠的太陽能電源被廣泛使用于通信領域。
而如何根據(jù)各地區(qū)太陽能輻射條件,來設計出既經(jīng)濟而又可靠的光伏電源系統(tǒng),這是眾多專家學者研究已久的課題,而且已有許多卓越的研究成果,為我國光伏事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。筆者在學習各專家的設計方法時發(fā)現(xiàn),這些設計僅考慮了蓄電池的自維持時間(即最長連續(xù)陰雨天),而沒有考慮到虧電后的蓄電池最短恢復時間(即兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù))。這個問題尤其在我國南方地區(qū)應引起高度重視,因為我國南方地區(qū)陰雨天既長又多,而對于方便適用的獨立光伏電源系統(tǒng),由于沒有應急的其他電源保護備用,所以應該將此問題納入設計中一起考慮。
本文綜合以往各設計方法的優(yōu)點,結合筆者多年來實際從事光伏電源系統(tǒng)設計工作的經(jīng)驗,引入兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)作為設計的依據(jù)之一,并綜合考慮了各種影響太陽能輻射條件的因素,提出了太陽能電池、蓄電池容量的計算公式,及相關設計方法。
影響設計的諸多因素
太陽照在地面太陽能電池方陣上的輻射光的光譜、光強受到大氣層厚度(即大氣質(zhì)量)、地理位置、所在地的氣候和氣象、地形地物等的影響,其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大的變化,甚至各年之間的每年總輻射量也有較大的差別。
太陽能電池方陣的光電轉換效率,受到電池本身的溫度、太陽光強和蓄電池電壓浮動的影響,而這三者在一天內(nèi)都會發(fā)生變化,所以太陽能電池方陣的光電轉換效率也是變量。
蓄電池組也是工作在浮充電狀態(tài)下的,其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。
太陽能電池充放電控制器由電子元器件制造而成,它本身也需要耗能,而使用的元器件的性能、質(zhì)量等也關系到耗能的大小,從而影響到充電的效率等。
負載的用電情況,也視用途而定,如通信中繼站、無人氣象站等,有固定的設備耗電量。而有些設備如燈塔、航標燈、民用照明及生活用電等設備,用電量是經(jīng)常有變化的。
因此,太陽能電源系統(tǒng)的設計,需要考慮的因素多而復雜。特點是:所用的數(shù)據(jù)大多為以前統(tǒng)計的數(shù)據(jù),各統(tǒng)計數(shù)據(jù)的測量以及數(shù)據(jù)的選擇是重要的。
設計者的任務是:在太陽能電池方陣所處的環(huán)境條件下(即現(xiàn)場的地理位置、太陽輻射能、氣候、氣象、地形和地物等),設計的太陽能電池方陣及蓄電池電源系統(tǒng)既要講究經(jīng)濟效益,又要保證系統(tǒng)的高可靠性。
某特定地點的太陽輻射能量數(shù)據(jù),以氣象臺提供的資料為依據(jù),供設計太陽能電池方陣用。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年甚至幾十年的平均值。
地球上各地區(qū)受太陽光照射及輻射能變化的周期為一天24h。處在某一地區(qū)的太陽能電池方陣的發(fā)電量也有24h的周期性的變化,其規(guī)律與太陽照在該地區(qū)輻射的變化規(guī)律相同。但是天氣的變化將影響方陣的發(fā)電量。如果有幾天連續(xù)陰雨天,方陣就幾乎不能發(fā)電,只能靠蓄電池來供電,而蓄電池深度放電后又需盡快地將其補充好。設計者多數(shù)以氣象臺提供的太陽每天總的輻射能量或每年的日照時數(shù)的平均值作為設計的主要數(shù)據(jù)。由于一個地區(qū)各年的數(shù)據(jù)不相同,為可靠起見應取近十年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。根據(jù)負載的耗電情況,在日照和無日照時,均需用蓄電池供電。氣象臺提供的太陽能總輻射量或總日照時數(shù)對決定蓄電池的容量大小是不可缺少的數(shù)據(jù)。
對太陽能電池方陣而言,負載應包括系統(tǒng)中所有耗電裝置(除用電器外還有蓄電池及線路、控制器等)的耗量。
方陣的輸出功率與組件串并聯(lián)的數(shù)量有關,串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓,并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流,適當數(shù)量的組件經(jīng)過串并聯(lián)即組成所需要的太陽能電池方陣。
蓄電池組容量設計
太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下,其電壓隨方陣發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。它的容量比負載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配,要求蓄電池工作壽命長且維護簡單。
(1)蓄電池的選用
能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多,目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護蓄電池,因為其固有的“免”維護特性及對環(huán)境較少污染的特點,很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng),特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護及其環(huán)境污染較大,所以主要適于有維護能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能,但由于其價格較高,僅適用于較為特殊的場合。
(2)蓄電池組容量的計算
蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi),方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份,要靠蓄電池的電能給以補足;在超過用電需要的月份,是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。所以方陣發(fā)電量的不足和過剩值,是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣,連續(xù)陰雨天期間的負載用電也必須從蓄電池取得。所以,這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。
因此,蓄電池的容量BC計算公式為:
BC=A×QL×NL×TO/CCAh(1)
式中:A為安全系數(shù),取1.1~1.4之間;
QL為負載日平均耗電量,為工作電流乘以日工作小時數(shù);
NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù);
TO為溫度修正系數(shù),一般在0℃以上取1,-10℃以上取1.1,-10℃以下取1.2;
CC為蓄電池放電深度,一般鉛酸蓄電池取0.75,堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
太陽能電池方陣設計
(1)太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)Ns
將太陽能電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來,就可獲得所需要的工作電壓,但是,太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)必須適當。串聯(lián)數(shù)太少,串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓,方陣就不能對蓄電池充電。如果串聯(lián)數(shù)太多使輸出電壓遠高于浮充電壓時,充電電流也不會有明顯的增加。因此,只有當太陽能電池組件的串聯(lián)電壓等于合適的浮充電壓時,才能達到最佳的充電狀態(tài)。
計算方法如下:
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc(2)
式中:UR為太陽能電池方陣輸出最小電壓;
Uoc為太陽能電池組件的最佳工作電壓;
Uf為蓄電池浮充電壓;
UD為二極管壓降,一般取0.7V;
UC為其它因數(shù)引起的壓降。
表1:我國主要城市的輻射參數(shù)表
蓄電池的浮充電壓和所選的蓄電池參數(shù)有關,應等于在最低溫度下所選蓄電池單體的最大工作電壓乘以串聯(lián)的電池數(shù)。
(2)太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np
在確定NP之前,我們先確定其相關量的計算方法。
①將太陽能電池方陣安裝地點的太陽能日輻射量Ht,轉換成在標準光強下的平均日輻射時數(shù)H(日輻射量參見表1):
H=Ht×2.778/10000h(3)
式中:2.778/10000(h•m2/kJ)為將日輻射量換算為標準光強(1000W/m2)下的平均日輻射時數(shù)的系數(shù)。
②太陽能電池組件日發(fā)電量Qp
Qp=Ioc×H×Kop×CzAh(4)
式中:Ioc為太陽能電池組件最佳工作電流;
Kop為斜面修正系數(shù)(參照表1);
Cz為修正系數(shù),主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失,一般取0.8。
③兩組最長連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw,此數(shù)據(jù)為本設計之獨特之處,主要考慮要在此段時間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補充起來,需補充的蓄電池容量Bcb為:
Bcb=A×QL×NLAh(5)
④太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計算方法為:
Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)(6)
式(6)的表達意為:并聯(lián)的太陽能電池組組數(shù),在兩組連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量,不僅供負載使用,還需補足蓄電池在最長連續(xù)陰雨天內(nèi)所虧損電量。
(3)太陽能電池方陣的功率計算
根據(jù)太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù),即可得出所需太陽能電池方陣的功率P:
P=Po×Ns×NpW(7)
式中:Po為太陽能電池組件的額定功率。
設計實例
以廣州某地面衛(wèi)星接收站為例,負載電壓為12V,功率為25W,每天工作24h,最長連續(xù)陰雨天為15d,兩最長連續(xù)陰雨天最短間隔天數(shù)為30d,太陽能電池采用云南半導體器件廠生產(chǎn)的38D975×400型組件,組件標準功率為38W,工作電壓17.1V,工作電流2.22A,蓄電池采用鉛酸免維護蓄電池,浮充電壓為(14±1)V。其水平面太陽輻射數(shù)據(jù)參照表1,其水平面的年平均日輻射量為12110(kJ/m2),Kop值為0.885,最佳傾角為16.13°,計算太陽能電池方陣功率及蓄電池容量。
(1)蓄電池容量Bc
Bc=A×QL×NL×To/CC
=1.2×(25/12)×24×15×1/0.75
=1200Ah
(2)太陽能電池方陣功率P
因為:
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+UC)/Uoc
=(14+0.7+1)/17.1=0.92≈1
Qp=Ioc×H×Kop×Cz
=2.22×12110×(2.778/10000)×0.885×0.8
≈5.29Ah
Bcb=A×QL×NL
=1.2×(25/12)×24×15=900Ah
QL=(25/12)×24=50Ah
Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)
=(900+30×50)/(5.29×30)≈15
故太陽能電池方陣功率為:
P=Po×Ns×Np=38×1×15=570W
(3)計算結果
該地面衛(wèi)星接收站需太陽能電池方陣功率為570W,蓄電池容量為1200Ah。