独立（离网）光伏系统蓄电池设计方法

独立（离网）光伏系统的蓄电池设计方法

在进行独立光伏系统设计的过程中,必不可少的一环就是蓄电池的设计.包括蓄电池的容量设计和蓄电池组的串并联设计.本文详细介绍了独立系统的蓄电池设计过程,并举实例进行计算,希望大家可以通过本文学会独立光伏系统的蓄电池设计方法.

首先,我们需要引入一个不可缺少的参数:自给天数,即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数.这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小.

一般来讲,自给天数的确定与两个因素有关:负载对电源的要求程度;光伏系统安装地点的气象条件即最大连续阴雨天数.通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数,但还要综合考虑负载对电源的要求.对于负载对电源要求不是很严格的光伏应用,我们在设计中通常取自给天数为3～5天.对于负载要求很严格的光伏应用系统,我们在设计中通常取自给天数为7～14天.所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带来的不便,而严格系统指的是用电负载比较重要,例如常用于通信,导航或者重要的健康设施如医院、诊所等.此外还要考虑光伏系统的安装地点,如果在很偏远的地区,必须设计较大的蓄电池容量,因为维护人员要到达现场需要花费很长时间.

光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池.在较大的系统中考虑到技术成熟性和成本等因素,通常使用铅酸蓄电池.在下面内容中涉及到的蓄电池没有特别说明指的都是铅酸蓄电池.

蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计和蓄电池组的串并联设计.下页将开始详细介绍.

一、基本公式
1、计算蓄电池容量的基本方法.

I.第一步,将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量.
II.第二步,将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度.因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电,所以需要除以最大放电深度,得到所需要的蓄电池容量.最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数,可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料.通常情况下,如果使用的是深循环型蓄电池,推荐使用80%放电深度(DOD);如果使用的是浅循环蓄电池,推荐选用使用50%(DOD).设计蓄电池容量的基本公式见下:


2、确定蓄电池串并联的基本方法.
每个蓄电池都有它的标称电压.为了达到负载工作的标称电压,我们将蓄电池串联起来给负载供电,需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压.


为了说明上述基本公式的应用,我们用一个小型的交流光伏应用系统作为范例.假设该光伏系统交流负载的耗电量为10KWh/天,如果在该光伏系统中,我们选择使用的逆变器的效率为90%,输入电压为24V,那么可得所需的直流负载需求为462.96Ah/天.(10000 Wh ÷ 0.9 ÷ 24 V = 462.96 Ah).我们假设这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统,使用者可以比较灵活的根据天气情况调整用电.我们选择5天的自给天数,并使用深循环电池,放电深度为80%.那么:
蓄电池容量=5天×462.96Ah/0.8=2893.51Ah.
如果选用2V/400Ah的单体蓄电池,那么需要串连的电池数=24V/2V=12(个)
需要并联的蓄电池数=2893.51/400=7.23
我们取整数为8.所以该系统需要使用2V/400Ah的蓄电池个数为:12串联×8并联 = 96(个).
下面是一个纯直流系统的例子:乡村小屋的光伏供电系统.该小屋只是在周末使用,可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本.该乡村小屋的负载为90 Ah/天,系统电压为24V.我们选择自给天数为2天,蓄电池允许的最大放电深度为50%,那么:
蓄电池容量=2天×90Ah/0.5=360Ah.
如果选用12V/100Ah的蓄电池,那么需要该蓄电池2串联×4并联 = 8个.

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二、设计修正
以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法,在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响.为了得到正确的蓄电池容量设计,上面的基本方程必须加以修正.

对于蓄电池,蓄电池的容量不是一成不变的,蓄电池的容量与两个重要因素相关:蓄电池的放电率和环境温度.
1、首先,我们考虑放电率对蓄电池容量的影响.
蓄电池的容量随着放电率的改变而改变,随着放电率的降低,蓄电池的容量会相应增加.这样就会对我们的容量设计产生影响.进行光伏系统设计时就要为所设计的系统选择在恰当的放电率下的蓄电池容量.通常,生产厂家提供的是蓄电池额定容量是10小时放电率下的蓄电池容量.但是在光伏系统中,因为蓄电池中存储的能量主要是为了自给天数中的负载需要,蓄电池放电率通常较慢,光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100～200小时.在设计时我们要用到在蓄电池技术中常用的平均放电率的概念.光伏系统的平均放电率公式如下:


上式中的负载工作时间可以用下述方法估计:对于只有单个负载的光伏系统,负载的工作时间就是实际负载平均每天工作的小时数;对于有多个不同负载的光伏系统,负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间,加权平均负载工作时间的计算方法如下:


根据上面两式就可以计算出光伏系统的实际平均放电率,根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量,就可以对蓄电池的容量进行修正.

2、下面考虑温度对蓄电池容量的影响.
蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化,当蓄电池温度下降时,蓄电池的容量会下降.通常,铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的.随着温度的降低,0℃时的容量大约下降到额定容量的90%,而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%,所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响.
如果光伏系统安装地点的气温很低,这就意味着按照额定容量设计的蓄电池容量在该地区的实际使用容量会降低,也就是无法满足系统负载的用电需求.在实际工作的情况下就会导致蓄电池的过放电,减少蓄电池的使用寿命,增加维护成本.这样,设计时需要的蓄电池容量就要比根据标准情况(25℃)下蓄电池参数计算出来的容量要大,只有选择安装相对于25℃时计算容量多的容量,才能够保证蓄电池在温度低于25℃的情况下,还能完全提供所需的能量.
蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正曲线.在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数,除以蓄电池容量修正系数就能对上述的蓄电池容量初步计算结果加以修正.上面是一个典型的温度-放电率-容量变化曲线. 因为低温的影响,在蓄电池容量设计上还必须要考虑的一个因素就是修正蓄电池的最大放电深度以防止蓄电池在低温下凝固失效,造成蓄电池的永久损坏.铅酸蓄电池中的电解液在低温下可能会凝固,随着蓄电池的放电,蓄电池中不断生成的水稀释电解液,导致蓄电池电解液的凝结点不断上升,直到纯水的0℃.在寒冷的气候条件下,如果蓄电池放电过多,随着电解液凝结点的上升,电解液就可能凝结,从而损坏蓄电池.即使系统中使用的是深循环工业用蓄电池,其最大的放电深度也不要超过80%.下图给出了一般铅酸蓄电池的最大放电深度和蓄电池温度的关系,系统设计时可以参考该图得到所需的调整因子.

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三、完整的蓄电池容量设计计算
考虑到以上所有的计算修正因子,我们可以得到如下蓄电池容量的最终计算公式.


下面对每个参数进行总结分析:

1、最大允许放电深度:一般而言,浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50%,而深循环蓄电池的最大允许放电深度为80%.如果在严寒地区,就要考虑到低温防冻问题对此进行必要的修正.设计时可以适当地减小这个值扩大蓄电池的容量,以延长蓄电池的使用寿命.例如,如果使用深循环蓄电池,进行设计时,将使用的蓄电池容量最大可用百分比定为60%而不是80%,这样既可以提高蓄电池的使用寿命,减少蓄电池系统的维护费用,同时又对系统初始成本不会有太大的冲击.根据实际情况可对此进行灵活地处理.

2、温度修正系数:当温度降低的时候,蓄电池的容量将会减少.温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值,从而使得设计的蓄电池容量能够满足实际负载的用电需求.

3、指定放电率:指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量.使用供应商提供的数据,可以选择适于设计系统的在指定放电率下的合适蓄电池容量.如果在没有详细的有关容量-放电速率的资料的情况下,可以粗略的估计认为,在慢放电率(C/100到C/300)的情况下,蓄电池的容量要比标准状态多30%.

4、下面举例说明上述公式的应用.
建立一套光伏供电系统给一个地处偏远的通讯基站供电,该系统的负载有两个:负载一,工作电流为1安培,每天工作24小时.负载二,工作电流为5安培每天工作12小时.该系统所处的地点的24小时平均最低温度为-20℃,系统的自给时间为5天.使用深循环工业用蓄电池(最大DOD为80%).
因为该光伏系统所在地区的24小时平均最低温度为-20℃,所以必须修正蓄电池的最大允许放电深度.由最大放电深度-蓄电池温度的关系图我们可以确定最大允许放电深度为50%.所以:
加权平均负载工作时间= = 6.67hrs
平均放电率 = =66.7小时率
根据上页中的典型温度-放电率-容量变化曲线,与平均放电率计算数值最为接近的放电率为50小时率,-20℃时在该放电率下所对应的温度修正系数为0.7(也可以根据供应商提供的性能表进行查询).如果计算出来的放电率在两个数据之间,那么选择较快的放电率(短时间)比较保守可靠.因此蓄电

池容量为:
蓄电池容量=1428.57Ah@50小时放电率
根据供应商提供的蓄电池参数表,我们可以选择合适的蓄电池进行串并联,构成所需的蓄电池组.

四、蓄电池组并联设计
当计算出了所需的蓄电池的容量后,下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量.这样可以有多种选择,例如,如果计算出来的蓄电池容量为500Ah,那么我们可以选择一个500Ah的单体蓄电池,也可以选择两个250Ah的蓄电池并联,还可以选择5个100Ah的蓄电池并联.从理论上讲,这些选择都可以满足要求,但是在实际应用当中,要尽量减少并联数目.也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目.这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响,因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池不平衡.并联的组数越多,发生蓄电池不平衡的可能性就越大.一般来讲,建议并联的数目不要超过4组.
目前,很多光伏系统采用的是两组并联模式.这样,如果有一组蓄电池出现故障,不能正常工作,就可以将该组蓄电池断开进行维修,而使用另外一组正常的蓄电池,虽然电流有所下降,但系统还能保持在标称电压正常工作.总之,蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况,根据不同的需要作出不同的选择.