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光伏离网发电系统设计需注意的因素

    近年来,随着太阳能电池板的成本不断下降以及节能减排的需要,光伏离网系统在大量的通信基站、路灯照明等系统大量应用,但是因为设计选型不当,经常造成系统的运行寿命达不到设计要求。为此对光伏离网系统中几大关键部件的设计选型进行分析。最典型的光伏离网应用系统基本由光伏板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器组成。

    一、光伏板设计应考虑的因素
    光伏板种类:目前光伏板可以采用主要有单/多晶硅板、薄膜电池板、高倍率聚光组件。
    单/多晶硅电池板:也称第一代光伏板,目前占主流市场(85%以上),也是离网工程的主选光伏板。薄膜电池板也称第二代太阳能电池板,最主要的优势的成本低,弱光发电效果好,高温发电效果好。聚光电池(CPV)也称第三代电池,目前商业化运行的可以达到1000倍聚光,最大的优势是高效率。
    光伏板容量选择:在离网工程中,一般选用单晶/多晶硅电池板,在容量选择上要注意:
    1、系统组件的效率比单个组件要低2-3%。
    2、必须考虑运行几年后的光伏板转换效率衰退问题,一般取98%为有效值。
    3、考虑灰尘对光伏板发电效率的影响,尤其是在西北多灰尘地区,可以根据当地情况取5-10%的发电损失
    4、厂家标称光伏板功率都是指实验室理想光照下的峰值发电功率,在实际使用中,根本无法达到,一般实际发电功率取标称功率70-80%。
    5、对于选用不带MPPT功能的控制器,因为光伏板不能工作在最大工作点,发电效率也要损失5%左右。
    综合以上几点,取损失的低端,累加损失在34%左右,以上几点在设计时若不加于考虑,往往会造成所选择太阳能电池板功率不足,造成蓄电池长期充电不足,非常容易导致蓄电池寿命大大缩短。
    光伏板电压选择:目前工程一般选择单晶/多晶硅太阳能电池板,对光伏板的电压选择应考虑:
    光伏控制器的类型:这点对光伏板系统电压的选择影响很大。现在市场上可供选择的光伏控制器有带MPPT控制功能和不带MPPT控制功能的。以48V直流系统为例,选用带MPPT功能控制器时,其最大光伏开路电压允许到150VDC,而若是选择不带MPPT功能的控制器,则对光伏板电压有严格的限制。12V蓄电池的充电电压:不考虑温度补偿一般均充电压在14.4V左右(不同蓄电池厂家有所不同),现在常规是选择36片串联开路电压标称21.5V最大功率电压17.5V的组件来对应12V蓄电池,主要是考虑到夏季南方温度较高地区,大约每升高1°C每片电池的电压减少5mV。
    在夏季,光伏板温度可以达到60°C以上,光伏板的开路电压也就只有15V左右,刚好只能满足均充要求,开路电压若选择低于21.5V,则在夏季不能满足蓄电池的均充要求,若选择高于21.5V,则平时光伏板不能工作在最大工作点,发电功率损失过大。
    二、蓄电池
    离网光伏系统中,最容易失效的主要部分应该就是蓄电池,而蓄电池的投资一般和电池板差不多,一旦电池达不到设计寿命,损失就非常大。
    目前比较适合在光伏离网系统应用的电池,一般是免维护铅酸电池,具有较高的综合性价比,常规的免维护铅酸电池设计寿命为3-5年,但是在实际应用中往往达不到设计寿命,主要因素有以下几点:
循环寿命:所有的铅酸蓄电池厂家所给的电池寿命一般有循环寿命和浮充寿命。
    光伏离网应用系统,一般需要在白天利用光伏板对电池进行充电,晚上则靠蓄电池储存的能量对负载进行放电,这样的应用显然不适合浮充使用寿命曲线,而是要采用循环使用寿命曲线来分析。
    从蓄电池厂家给出的蓄电池循环使用寿命曲线图可以看出,在环境温度理想的情况下,当放电深度50%是,循环次数可以达到400次以上,而100%深度放电,则只有不足200次,为降低系统造价,电池的放电深度不可能取的太小,否则蓄电池的容量要非常大,经济上不划算,根据应用场合不同,是否配置备用发电机或者采用风力发电补充等,对放电深度的取值往往不同!常规取50-70%左右的放电深度,可以在容量投入和使用寿命之间折中。当取放电深度为70%时,循环寿命为300次左右,50%深度则有400多次。这还是理想的状况,以下情况不考虑好会再缩短使用寿命:
    环境温度:光伏离网应用,有相当多是在户外,或者无空调的场合,温度范围很大,低温主要影响可放电容量,高温则对寿命有非常大的影响。当环境温度高于25°C时,电池的使用寿命大幅下降,而离网光伏系统的电池在夏季,温度常常在30°C以上,部分在太阳直晒的地方,可能达到50°C以上,导致电池寿命远达不到设计寿命。因此在户外应用时,建议将电池埋在地下,是在不行,也避免太阳直晒电池,最好在电池箱上做简单的遮阳罩,尽可能的降低电池温度。
    高温对电池寿命有很大影响,低温则严重的影响电池的放电能力,常规的密闭式铅酸电池的工作温度下限一般在-10℃左右,低于此温度,电池的可放电容量一般就缩减的很厉害。低于-25℃左右,容量基本就放不出来。
    蓄电池厂家所给的参数都是指针对单节电池的试验数据,当实际使用时多结蓄电池串联时,随着循环次数的增加,蓄电池间的差异必然加大,蓄电池组的实际使用循环次数要少于单节电池的次数,串联的电池越多,可用循环次数越少,目前尚无准确数据,只能是根据经验估算。
    因此光伏离网系统,电池必然处于循环应用下,蓄电池组的充电电压设置就非常关键,因为白天光伏板有效发电时间一般只有4-5小时,电池必须在这么短的时间内将晚上放出的能量补回来,因此充电电压一般要按均充电压来设置,即每单体电池2.35-2.45V(不同电池厂家有所不同),原则是,晚上的放电深度越深,均充电压就设置越高。
    温度补偿:因为光伏离网应用,电池不少处于户外环境,冬夏季温度变化非常大,要求控制器必须具备温度补偿功能,电池厂家一般会给出补偿曲线,下图为汤浅NP系列充电电压与温度关系图。从图中可以看出,随着环境温度的提高,充电电压要适当下调。一般是以25℃为中心,温度增加1℃,充电电压每单体下调5mV.。控制器不具备此功能,或者设置不当,就容易造成夏季过充电,冬季欠充电的情况。因此,在电池的选择上,应重点考虑:
    1、尽量浅深度放电设计,以加大循环使用次数
    2、尽量创造一个合适的电池环境温度,尤其是高温
    3、选择合适的充电电压和温度补偿措施
    在预算允许的情况下,可以考虑采用胶体电池,适合在较高温度下工作。
    对于低温下可以考虑采用卷绕式电池,一般在-25℃非高倍率放电下,仍然可以放出80%以上容量。
    对于要求循环寿命较长的用户,若电池串联节数不多(例如通信系统48VDC),也可考虑采用磷酸铁锂电池,单体循环寿命可以在2000次左右,电池组循环寿命可以在800次以上。
    三、 光伏控制器
    目前市场上的离网光伏控制器可以分为两大类,带MPPT功能和不带MPPT功能。电路采用具有MPPT控制功能的BUCK电路,当电池选用48V系统时,太阳能电池板的开路电压范围可以达到150VDC,在一个较宽的电压范围内,都可以让太阳能电池板工作在MPPT状态,最大限度的发挥其发电功率。但是此控制器最多只能称是带MPPT的充电器,因为其不具备对电池的放电管理,电池可能面临过放电的危险。而且目前带MPPT的控制器价格昂贵,尤其是系统功率在10KW以上时,基本不用带MPPT功能的控制器。
    因蓄电池的放电深度对循环使用寿命影响很大,因此,电池欠压保护点的设置就非常关键。不少的控制器保护点是固定,或者是可以人为调整,但是电池的保护点一点设定死后,随着负载电流的减小,放电深度必然加深,好的控制器应该能根据实际的电池安装容量和负载电流大小,自动调整保护电压点,将放电深度控制在设计范围。
    另外,不少的控制器其电源单纯取自蓄电池,一旦蓄电池在最恶劣的情况下,被完全放电,此时,及时太阳能电池板能正常发电,也无法启动控制器对蓄电池进行充电,因此一般要求控制器的电源板取电需要来自蓄电池和光伏板。
    四、总结
    光伏离网系统要稳定运行,达到设计使用寿命,必须在关键部件:太阳能光伏板、控制器、蓄电池的容量、功能等要求周全的考虑,设计合理的技术方案,否则系统实际运行寿命往往与理论设计寿命有巨大的差异,经济效益无法满足用户要求。

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