小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计【文献综述】.doc

1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 1 前言 进入 21 世纪以来 ,各国对能源的消耗以日俱增。众多不可再生能源的消耗殆尽和环境污染问题的日益严重 ， 已成为制约人类社会可持续发展的两个关键性因素。人类开始将目光转向可再生能源的发展。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源 ， 与其他新能源相比利用最大 ， 是最理想的可再生能源 1。 太阳能是各种可再生能源中最重要的能源，风能、水能、海洋能、生物质能等其他可再生能源都来自太阳能，现在所说的太阳能利用是指对太阳能的直接转换和利用。太阳能的 转化利用方式基本可分为光电转换、光热转换、光化学转化等三种方式。通过

2、转换装置把太阳能转换成热能加以利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳能转换成电能加以利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光生伏打效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 光伏发电是当前利用太阳能的主要方式。 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成电能。这个能量转换器叫做光伏电池。单体光伏电池是光伏电池的基本单元。在利用光伏发电的过程中，若用光伏电池供电 则其输出功率太小，一般要将其串并联构成光伏电池组件，再将组件串并联构成光伏阵列来供电。目前的光伏电池大致可分为硅光伏电池和半导体光伏电池，用的最多的主要

3、是单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池。 光伏电站系统可分为并网型系统和独立供电型系统 2 种。前者可以看作集中式或者分布式的太阳能电站 ； 而后者则不与电网相连 ， 直接向负载提供电力 ， 为了提供持续的能量供应必须使用储能装置 2 。 蓄电池是光伏发电系统的储能装置，其作用是将光伏电池转换出来的电能储存起来以便使用。与光伏电池阵列配套的蓄电池通常在浮充状态下工作，其电压随方 阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的电能量比用电负载所需的电能量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与光伏电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且要维护简单 34。 2 主题 根据系统与电网的关系，太阳能光伏发电系统

4、可以分为独立系统和并网系统两种。 独立光伏发电系统利用光伏电池和蓄电池构成独立的供电系统来向负载提供电能。当太阳能电池输出电能不能满足负载要求是，由蓄电池进行补充，而当其输出的功率超过负载需求是将电能储存与蓄电池中，而不会将电能回馈上电网以供其他客户端负载使用。独立光伏发电系统的组成与 负载有关：如果只是直流负载，则仅需要对输出电压进行升 /降压处理即可与负载连接；如果还需带交流负载，就需要加入逆变单元。图 1 为独立的光伏系统框图。 图 1 独立光伏系统结构图 并网光伏发电系统是将光伏发电系统和电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超过负载要求时

5、，将电能送到电网中。因为要将功率回馈给电网，就要求系统满足电网对电能的各项性能指标要求，还要具备各种保护功能以保证不影响电网的稳定运行，因此其控制器的功能更加复杂，对并网逆变器的要求也更高，图 2 为带蓄电池 的并网系统结构框图 57。 图 2 带蓄电池的并网系统结构框图 常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年，国际光伏发电迅猛发展。 1973年，美国制定了政府级阳光发电计划； 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达 8 亿多美元； 1994 年度的财政预算中，光伏发电的预算达 7800多万美元，比 1993

6、 年增加了 23 4； 1997 年美国和欧洲相继宣布 “百万屋顶光伏计划 “，美国计划到 2010 年安装 1000 3000MW 太阳电池。日本不甘 落后，1997 年补贴 “屋顶光伏计划 “的经费高达 9200 万美元，安装目标是 7600Mw。印度计划 1998 002 年太阳电池总产量为 150MW，其中 2002 年为 50MW。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过 60 兆瓦，电池转换效率提高到 15以上，系统造价和发电成本已分别降至4 美元 /峰瓦和 25 美分 /度

7、电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾 10 亿美元。太阳 能热发电在技术上也有所突破，目前已有 20 余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。 煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于 70 年代，真正快速发展是在 80 年代。在 1983 年一 1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从 1984 年以前的年产 200 千瓦跃到 1988 年的 4 5 兆瓦。目前太阳电池

8、主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边 远偏辟无电地区，年销售约 1.1 兆瓦，成效显著。 虽然近年来我国光伏电池的产量有了大幅的提升，但目前我国对于光伏发电关键技术掌握还远远落后于德国、日本、美国等传统强国，比如对电池原材料 高纯多晶硅的提纯技术等等。目前我国光伏电池的原料绝大多数依赖进口，而产品也主要用于出口，也就是说研发和应用都在外面，我国是“来料加工”。这一问题已经成为我国光伏产业发展的对打瓶颈 89。 法国人普兰特（ G.Plante）于 1859年发明铅酸蓄电池，已经历了近 150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产 品电气性能等方面都得到了

9、长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。 在选择光伏系统蓄电池时需要考虑的指标因素很多，如电量、电压、放电深度、循环寿命、冲放电性能等等。 目前在光伏系统中被采用的蓄电池大致可分为两大类 10：碱性蓄电池和铅酸蓄电池。碱性蓄电池在冲放性能、循环寿命等等方面都比铅酸蓄电池好，但是其价格昂贵，除了在高寒环境等特殊场合外，其目前的应用远不如铅酸蓄电池广泛。 铅酸蓄电池由正负极板和电解液组成，电化学方程式如下所示 11： 。 单体铅酸蓄电池额定电压一般为 2V。蓄电池充电时，外接直流电源的电压高于蓄电池电动势，电流从正极板流入蓄电池

10、，经过电解液后从负极板流出，电解液的比重逐渐增加，蓄电池的端电压也逐渐增加。蓄电池放电时，电解液中的硫酸逐渐变为水，电解液的比重下降，电动势下降，直到放电停止。铅酸蓄电池在充电过程的后期，一部分水会被电离成氢气和氧气，因此普通的开口式铅酸蓄电池在长期使用中存在电解液的水消耗问题。随着对光伏系统铅酸蓄电池的进一步研究。阀控式免维护铅酸蓄电池（ VRLA）以其独特的优势取代普通铅酸蓄电池而成为新一代 光伏系统蓄电池 1213。 我们常用的铅酸蓄电池主要分为三类，分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池 。 A 普通蓄电池 ： 普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要

11、优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低 (即每公斤蓄电池存储的电能 )、使用寿命短和日常维护频繁。 B 干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过 2030 分钟就可使用。 C 免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上 的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小 、 自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护 (添加补充液 )；另一种是电池本身出厂时就

12、已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液 。 温度和浮充电压的变化会给铅酸蓄电池带来严重危害。在适当的浮充状态下 ， 阀控铅酸蓄电池能够稳定工作 6 10 年。而浮充电压即使只有 5 % 的偏差 ，也会使蓄电池的寿命减半 14 。 容量和寿命是蓄电池的重要参 数 ， 它们受充电方法影响很大。在独立光伏电站系统中 ， 不仅关心蓄电池的充电速度 ， 而更关心如何在充电的过程中既能最大限度地利用光伏电池 ， 又能实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命。 目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电方法等 15。 恒流充电就是在整个充电过程中始终以恒定的电流进行充电，随着蓄

13、电池电压的变化要进行电流调整，使充电电流不变。 恒压充电就是整个充电过程中始终以一定的电压对蓄电池进行充电。 两阶段和三阶段充电方法这种充电方法在充电开始阶段采用恒流充电方式，蓄电池充电 到达一定容量后在用恒压充电方式充电。 3 总结 从已建光伏电站的调查分析发现 ， 蓄电池是导致光伏电站系统故障和失效的主要原因之一。导致蓄电池提前失效的原因很多 ， 除设计不合理、维护管理不到位外 ， 蓄电池的控制方式不合理是导致其提前失效的重要原因。因此 ， 建立合理的蓄电池控制方式 ， 可延长蓄电池使用寿命 ， 降低系统运行成本并保证独立光伏电站的安全可靠运行。 4 参考文献 1王长贵 , 崔容强 , 周

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