離網離網型太陽能型太陽能型太陽能光伏光伏光伏發電發電發電系統的蓄電池設計方法
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在進行獨立光伏系統設計的過程中，必不可少的一環就是蓄電池的設計。包括蓄電池的容量設計和蓄電池組的串並聯設計。本文詳細介紹了獨立系統的蓄電池設計過程，並舉例項進行計算，希望大家可以通過本文學會獨立光伏系統的蓄電池設計方法。
首先，我們需要引入乙個不可缺少的引數：自給天數，即系統在沒有任何外來能源的情況下負載仍能正常工作的天數。這個引數讓系統設計者能夠選擇所需使用的蓄電池容量大小。
一般來講，自給天數的確定與兩個因素有關：負載對電源的要求程度；光伏系統安裝地點的氣象條件即最大連續陰雨天數。通常可以將光伏系統安裝地點的最大連續陰雨天數作為系統設計中使用的自給天數，但還要綜合考慮負載對電源的要求。
對於負載對電源要求不是很嚴格的光伏應用，我們在設計中通常取自給天數為3～5天。對於負載要求很嚴格的光伏應用系統，我們在設計中通常取自給天數為7～14天。所謂負載要求不嚴格的系統通常是指使用者可以稍微調節一下負載需求從而適應惡劣天氣帶來的不便，而嚴格系統指的是用電負載比較重要，例如常用於通訊，導航或者重要的健康設施如醫院、診所等。
此外還要考慮光伏系統的安裝地點，如果在很偏遠的地區，必須設計較大的蓄電池容量，因為維護人員要到達現場需要花費很長時間。
太陽能光伏系統中使用的蓄電池有鎳氫、鎳鎘電池和鉛酸蓄電
池。在較大的系統中考慮到技術成熟性和成本等因素，通常使用鉛酸蓄電池。在下面內容中涉及到的蓄電池沒有特別說明指的都是鉛酸蓄電池。
蓄電池的設計包括蓄電池容量的設計和蓄電池組的串並聯設計。下頁將開始詳細介紹。
一、基本公式
1、計算蓄電池容量的基本方法。
i.第一步，將每天負載需要的用電量乘以根據實際情況確定的自給天數就可以得到初步的蓄電池容量。
ii.第二步，將第一步得到的蓄電池容量除以蓄電池的允許最大放電深度。因為不能讓蓄電池在自給天數中完全放電，所以需要除以最大放電深度，得到所需要的蓄電池容量。
最大放電深度的選擇需要參考光伏系統中選擇使用的蓄電池的效能引數，可以從蓄電池**商得到詳細的有關該蓄電池最大放電深度的資料。通常情況下，如果使用的是深迴圈型蓄電池，推薦使用80%放電深度（dod）；如果使用的是淺迴圈蓄電池，推薦選用使用50%（dod）。設計蓄電池容量的基本公式見下：
自給天數x日平均負載
蓄電池容量
最大放電深度
2、確定蓄電池串並聯的基本方法。
每個蓄電池都有它的標稱電壓。為了達到負載工作的標稱電壓，
我們將蓄電池串聯起來給負載供電，需要串聯的蓄電池的個數等於負載的標稱電壓除以蓄電池的標稱電壓。
負載標稱電壓
串聯蓄電池數
蓄電池標稱電壓
為了說明上述基本公式的應用，我們用乙個小型的交流光伏應用系統作為範例。假設該光伏系統交流負載的耗電量為10kwh/天，如果在該光伏系統中，我們選擇使用的逆變器的效率為90％，輸入電壓為24v，那麼可得所需的直流負載需求為462.96ah/天。
(10000wh ÷0.9÷24v=462.96ah)。
我們假設這是乙個負載對電源要求並不是很嚴格的系統，使用者可以比較靈活的根據天氣情況調整用電。我們選擇5天的自給天數，並使用深迴圈電池，放電深度為80％。那麼：
蓄電池容量＝5天×462.96ah/0.8＝2893.
51ah。
如果選用2v/400ah的單體蓄電池，那麼需要串連的電池數＝
24v/2v=12（個）
需要併聯的蓄電池數＝2893.51/400＝7.23
我們取整數為8。所以該系統需要使用2v/400ah的蓄電池個數為：12串聯×8併聯=96（個）。
下面是乙個純直流系統的例子：鄉村小屋的光伏供電系統。該小屋只是在週末使用，可以使用低成本的淺迴圈蓄電池以降低系統成本。
該鄉村小屋的負載為90ah/天，系統電壓為24v。我們選擇自給天數為2天，蓄電池允許的最大放電深度為50％，那麼：
蓄電池容量＝2天×90ah/0.5＝360ah。
如果選用12v/100ah的蓄電池，那麼需要該蓄電池2串聯×4併聯=8個。
二、設計修正
以上給出的只是蓄電池容量的基本估算方法，在實際情況中還有很多效能引數會對蓄電池容量和使用壽命產生很大的影響。為了得到正確的蓄電池容量設計，上面的基本方程必須加以修正。
對於蓄電池，蓄電池的容量不是一成不變的，蓄電池的容量與兩個重要因素相關：蓄電池的放電率和環境溫度。
1、首先，我們考慮放電率對蓄電池容量的影響。
蓄電池的容量隨著放電率的改變而改變，隨著放電率的降低，蓄電池的容量會相應增加。這樣就會對我們的容量設計產生影響。進行光伏系統設計時就要為所設計的系統選擇在恰當的放電率下的蓄電池容量。
通常，生產廠家提供的是蓄電池額定容量是10小時放電率下的蓄電池容量。但是在光伏系統中，因為蓄電池中儲存的能量主要是為了自給天數中的負載需要，蓄電池放電率通常較慢，光伏供電系統中蓄電池典型的放電率為100～200小時。在設計時我們要用到在蓄電池技術中常用的平均放電率的概念。
光伏系統的平均放電率公式如下：
自給天數x負載工作時間
平均放電率(小時
最大放電深度
上式中的負載工作時間可以用下述方法估計：對於只有單個負載的光伏系統，負載的工作時間就是實際負載平均每天工作的小時數；對於有多個不同負載的光伏系統，負載的工作時間可以使用加權平均負載工作時間，加權平均負載工作時間的計算方法如下：
∑負載功率x負載工作時間
加權平均負載工作時間(小
時∑負載功率
根據上面兩式就可以計算出光伏系統的實際平均放電率，根據蓄電池生產商提供的該型號電池在不同放電速率下的蓄電池容量，就可以對蓄電池的容量進行修正。
2、下面考慮溫度對蓄電池容量的影響。
蓄電池的容量會隨著蓄電池溫度的變化而變化，當蓄電池溫度下降時，蓄電池的容量會下降。通常，鉛酸蓄電池的容量是在25℃時標定的。隨著溫度的降低，0℃時的容量大約下降到額定容量的90％，而在-20℃的時候大約下降到額定容量的80％，所以必須考慮蓄電池的環境溫度對其容量的影響。
如果光伏系統安裝地點的氣溫很低，這就意味著按照額定容量設計的蓄電池容量在該地區的實際使用容量會降低，也就是無法滿足系統負載的用電需求。在實際工作的情況下就會導致蓄電池的過放電，
減少蓄電池的使用壽命，增加維護成本。這樣，設計時需要的蓄電池容量就要比根據標準情況（25℃）下蓄電池引數計算出來的容量要大，只有選擇安裝相對於25℃時計算容量多的容量，才能夠保證蓄電池在溫度低於25℃的情況下，還能完全提供所需的能量。
圖1蓄電池溫度－放電率－容量曲線
蓄電池生產商一般會提供相關的蓄電池溫度-容量修正曲線。在該曲線上可以查到對應溫度的蓄電池容量修正係數，除以蓄電池容量修正係數就能對上述的蓄電池容量初步計算結果加以修正。上面是乙個典型的溫度－放電率－容量變化曲線。
因為低溫的影響，在蓄電池容量設計上還必須要考慮的乙個因素就是修正蓄電池的最大放電深度以防止蓄電池在低溫下凝固失效，造成蓄電池的永久損壞。鉛酸蓄電池中的電解液在低溫下可能會凝固，
隨著蓄電池的放電，蓄電池中不斷生成的水稀釋電解液，導致蓄電池電解液的凝結點不斷上公升，直到純水的0℃。在寒冷的氣候條件下，如果蓄電池放電過多，隨著電解液凝結點的上公升，電解液就可能凝結，從而損壞蓄電池。即使系統中使用的是深迴圈工業用蓄電池，其最大的放電深度也不要超過80％。
下圖給出了一般鉛酸蓄電池的最大放電深度和蓄電池溫度的關係，系統設計時可以參考該圖得到所需的調整因子。
圖2鉛酸蓄電池最大放電深度－溫度曲線在設計時要使用光伏系統所在地區的最低平均溫度，然後從上圖或者是由蓄電池生產商提供的最大放電深度－蓄電池溫度關係圖上找到該地區使用蓄電池的最大允許放電深度。通常，只是在溫度低於零下8度時才考慮進行校正。
三、完整的蓄電池容量設計計算
考慮到以上所有的計算修正因子，我們可以得到如下蓄電池容量的最終計算公式。
自給天數x日平均負載
蓄電池容量(@指定放電率
最大允許放電深度x溫度修正因子
下面對每個引數進行總結分析：
1、最大允許放電深度：一般而言，淺迴圈蓄電池的最大允許放電深度為50％，而深迴圈蓄電池的最大允許放電深度為80％。如果在嚴寒地區，就要考慮到低溫防凍問題對此進行必要的修正。
設計時可以適當地減小這個值擴大蓄電池的容量，以延長蓄電池的使用壽命。例如，如果使用深迴圈蓄電池，進行設計時，將使用的蓄電池容量最大可用百分比定為60％而不是80％，這樣既可以提高蓄電池的使用壽命，減少蓄電池系統的維護費用，同時又對系統初始成本不會有太大的衝擊。根據實際情況可對此進行靈活地處理。
2、溫度修正係數：當溫度降低的時候，蓄電池的容量將會減少。溫度修正係數的作用就是保證安裝的蓄電池容量要大於按照25℃標準情況算出來的容量值，從而使得設計的蓄電池容量能夠滿足實際負載的用電需求。
3、指定放電率：指定放電率是考慮到慢的放電率將會從蓄電池得到更多的容量。使用**商提供的資料，可以選擇適於設計系統的在指定放電率下的合適蓄電池容量。如果在沒有詳細的有關容量－放電
速率的資料的情況下，可以粗略的估計認為，在慢放電率（c/100到c/300）的情況下，蓄電池的容量要比標準狀態多30％。
4、下面舉例說明上述公式的應用。
建立一套光伏供電系統給乙個地處偏遠的通訊基站供電，該系統的負載有兩個：負載一，工作電流為1安培，每天工作24小時。負載二，工作電流為5安培每天工作12小時。
該系統所處的地點的24小時平均最低溫度為-20℃，系統的自給時間為5天。使用深迴圈工業用蓄電池（最大dod為80％）。
因為該光伏系統所在地區的24小時平均最低溫度為-20℃，所以必須修正蓄電池的最大允許放電深度。由最大放電深度－蓄電池溫度的關係圖我們可以確定最大允許放電深度為50％。所以：
加權平均負載工作時間=＝6.67hrs
平均放電率=＝66.7小時率
根據上頁中的典型溫度－放電率－容量變化曲線，與平均放電率計算數值最為接近的放電率為50小時率，-20℃時在該放電率下所對應的溫度修正係數為0.7（也可以根據**商提供的效能表進行查詢）。如果計算出來的放電率在兩個資料之間，那麼選擇較快的放電率（短時間）比較保守可靠。
因此蓄電池容量為：
蓄電池容量＝1428.57ah@50小時放電率
根據**商提供的蓄電池參數列，我們可以選擇合適的蓄電池進行串並聯，構成所需的蓄電池組。
四、蓄電池組併聯設計
當計算出了所需的蓄電池的容量後，下一步就是要決定選擇多少個單體蓄電池加以併聯得到所需的蓄電池容量。這樣可以有多種選擇，例如，如果計算出來的蓄電池容量為500ah，那麼我們可以選擇乙個500ah的單體蓄電池，也可以選擇兩個250ah的蓄電池併聯，還可以選擇5個100ah的蓄電池併聯。從理論上講，這些選擇都可以滿足要求，但是在實際應用當中，要儘量減少併聯數目。
也就是說最好是選擇大容量的蓄電池以減少所需的併聯數目。這樣做的目的就是為了儘量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響，因為一些併聯的蓄電池在充放電的時候可能會與之併聯的蓄電池不平衡。併聯的組數越多，發生蓄電池不平衡的可能性就越大。
一般來講，建議併聯的數目不要超過4組。
目前，很多光伏系統採用的是兩組併聯模式。這樣，如果有一組蓄電池出現故障，不能正常工作，就可以將該組蓄電池斷開進行維修，而使用另外一組正常的蓄電池，雖然電流有所下降，但系統還能保持在標稱電壓正常工作。總之，蓄電池組的併聯設計需要考慮不同的實際情況，根據不同的需要作出不同的選擇。
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