任务四　太阳能电池组件与蓄电池选择方法

一、太阳能电池组件与蓄电池技术

太阳能电池被封装成单一长期耐用的、稳定的单元。封装一组相互连接的太阳能电池的目的，是在使用它们的苛刻环境保护它们和它们的互连线。例如，太阳能电池是很薄的，易于受到机械损伤，除非它们得到保护。另外，太阳能电池顶部表面的金属栅线和各个独立的太阳能电池之间的互连线可以被水和水蒸气腐蚀。封装的两个关键作用是防止太阳能电池的机械损伤和防止水或水蒸气对电极的腐蚀。有许多不同形式的PV组件，并且对于不同的太阳能电池或不同的应用要求，组件的结构是不同的。例如，无定型硅太阳能电池通常被封装成柔性组件，而用于遥远地区的晶体硅太阳能电池与玻璃形成刚性的封装。晶体硅PV组件的寿命和保质期通常大约是20年。

在实际情况中，所有电池都具有不同的特性，输出最小的电池限制了整个组件的总输出。组件中电池的最大输出的总和与组件实际达到的最大输出之间的差别就是失谐损耗。图2-4-1和图2-4-2是失谐电池之间并联的示意图。图2-4-3和图2-4-4说明了在这种情况下确定开路电压和短路电流的方法。

IEC-61215测试需要制造商提供同一批经过正常品质检查的生产组件中的任意8个。每个组件接受不同次序的检查，这些检查包括组件的电学、光学和机械结构检查。如果每个样品符合以下所有的要求，组件就达到了质量标准：

①没有明显的肉眼能看到的缺陷；

②在STC情况下，经过单个测试后的最大输出功率的降格小于5％，在所有测试程序之后的最大输出功率的降格小于8％；

③通过绝缘性测试和高电压测试；

④样品不存在任何明显的断路或接地故障。

二、组件与蓄电池匹配技术基础

1.设计的基本思路

太阳能电池组件的设计原则，是要满足平均天气条件（太阳辐射量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。因为天气条件有低于和高于平均值的情况，因此，设计太阳能电池组件要满足光照最差、太阳能辐射量最小季节的需要。如果只按平均值去设计，势必造成全年三分之一多时间的光照最差季节蓄电池的连续亏电。蓄电池长时间处于亏电状态，将造成蓄电池的极板硫酸盐化，使蓄电池的使用寿命和性能受到很大影响，整个系统的后续运行费用也将大幅度增加。设计时也不能考虑为了给蓄电池尽可能快地充满电而将太阳能电池组件设计得过大，这样在一年中的绝大部分时间里太阳能电池的发电量会远远大于负载的用电量，造成太阳能电池组件的浪费和系统整体成本过高。因此，太阳能电池组件设计的最好办法，就是使太阳能电池组件能基本满足光照最差季节的需要，也就是在光照最差的季节蓄电池也能够基本上天天充满电。

在有些地区，最差季节的光照度远远低于全年平均值，如果还按最差情况设计太阳能电池组件的功率，那么在一年中的其他时候发电量就会远远超过实际所需，造成浪费。这时只能考虑适当加大蓄电池的设计容量，增加电能储存，使蓄电池处于浅放电状态，弥补光照最差季节发电量的不足对蓄电池造成的伤害。有条件的地方，还可以考虑采取风力发电与太阳能发电互相补充（简称风光互补）及市电互补等措施，达到系统整体综合成本效益的最佳。

2.太阳能电池组件及方阵的设计方法

太阳能电池组件的设计就是满足负载年平均每日用电量的需求，所以设计和计算太阳能电池组件大小的基本方法，就是用负载平均每天所需要的用电量（单位：A·h或W·h）为基本数据，以当地太阳能辐射资源参数，如峰值日照时数、年辐射总量等数据为参照，并结合一些相关因素数据或系数综合计算而得出。

在设计和计算太阳能电池组件或组件方阵时，一般有两种方法。一种方法是根据上述各种数据直接计算出太阳能电池组件或方阵的功率，根据计算结果选配或定制相应功率的电池组件，进而得到电池组件的外形尺寸和安装尺寸等。这种方法一般适用于中小型光伏发电系统的设计。另一种方法是先选定尺寸符合要求的电池组件，根据该组件峰值功率、峰值工作电流和日发电量等数据，结合上述数据进行设计计算，在计算中确定电池组件的串、并联数及总功率。这种方法适用于中大型光伏发电系统的设计。下面以第二种方法为例，介绍一个常用的太阳能电池组件的设计计算公式和方法。

（1）基本计算方法

计算太阳能电池组件的基本方法，是用负载平均每天所消耗的电量（A·h），除以选定的电池组件在一天中的平均发电量（A·h），就算出了整个系统需要并联的太阳能电池组件数量。这些组件的并联输出电流，就是系统负载所需要的电流。具体公式为：

其中　组件日平均发电量=组件峰值工作电流（A）×峰值日照时数（h）

再将系统的工作电压除以太阳能电池组件的峰值工作电压，就可以算出太阳能电池组件的串联数量。这些电池组件串联后，就可以产生系统负载所需要的工作电压或蓄电池组的充电电压。具体公式为：

系数1.43是太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。例如，为工作电压12V的系统供电或充电的太阳能电池组件的峰值电压是17～17.5V；为工作电压24V的系统供电或充电的峰值电压为34～34.5V等。因此为方便计算用系统工作电压乘以1.43就是该组件或整个方阵的峰值电压近似值。例如，假设某光伏发电系统工作电压为48V，选择了峰值工作电压为17.0V的电池组件，计算电池组件的串联数=48V×1.43/17.0V=4.03≈4（块）。

有了电池组件的并联数和串联数后，就可以很方便地计算出这个电池组件或方阵的总功率，计算公式是：

电池组件（方阵）总功率（W）=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）

（2）相关因素的考虑

上面的计算公式完全是理想状态下的书面计算。如果根据上述公式计算出的电池组件容量，在实际应用当中是不能满足光伏发电系统的用电需求的。为了得到更准确的数据，要把一些相关因素和数据考虑进来并纳入到计算中。

与太阳能电池组件发电量相关的主要因素有两点。

①太阳能电池组件的功率衰降　在光伏发电系统的实际应用中，太阳能电池组件的输出功率（发电量）会因为各种内外因素的影响而衰减或降低。例如，灰尘的覆盖、组件自身功率的衰降、线路的损耗等各种不可量化的因素，在交流系统中还要考虑交流逆变器的转换效率因素。因此，设计时要将造成电池组件功率衰降的各种因素按10％的损耗计算，如果是交流光伏发电系统时，还要考虑交流逆变器转换效率的损失，也按10％计算。这些实际上都是光伏发电系统设计时需要考虑的安全系数，设计时为电池组件留有合理余量，是系统年复一年长期正常运行的保证。

②蓄电池的充放电损耗　在蓄电池的充放电过程中，太阳能电池产生的电流在转化储存的过程中会因为发热、电解水蒸发等产生一定的损耗，也就是说蓄电池的充电效率根据蓄电池的不同一般只有90％～95％。因此在设计时也要根据蓄电池的不同将电池组件的功率增加5％～10％，以抵消蓄电池充放电过程中的耗散损失。

（3）实用的计算公式

上面的公式只是一个理论的计算，在考虑到各种因素的影响后，将相关系数纳入到上述公式中，才是一个设计和计算太阳能电池组件的完整公式。

将负载日平均用电量除以蓄电池的充电效率，就是每天的负载用电量，实际上给出了电池组件需要负担的真正负载；将电池组件的损耗系数乘以组件的日平均发电量，这样就考虑了环境因素和组件自身衰降造成的组件发电量的减少，有了一个符合实际应用情况下的太阳能电池发电量的保守估算值。综合考虑以上因素，得出计算公式如下：

电池组件（方阵）总功率（W）=组件并联数×组件串联数×选定组件的峰值输出功率（W）

在进行太阳能电池组件的设计与计算时，还要考虑季节变化对系统发电量的影响。因为在设计和计算得出组件容量时，一般都是以当地太阳能辐射资源的参数，如峰值日照时数、年辐射总量等数据为参照数据，这些数据都是全年平均数据，参照这些数据计算出的结果，在春、夏、秋季一般都没有问题，冬季可能就会有点欠缺。因此在有条件时或设计比较重要的光伏发电系统时，最好以当地全年每个月的太阳能辐射资源参数分别计算各个月的发电量，其中的最大值就是一年中所需要的电池组件的数量。例如，某地计算出冬季需要的太阳能组件数量是8块，但在夏季可能有5块就够了，为了保证该系统全年的正常运行，应按照冬季的数量确定系统的容量。

3.蓄电池和蓄电池组的设计方法

蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常用电。要能在几天内保证系统的正常工作，就需要在设计时引入一个气象条件参数：连续阴雨天数。一般计算时都是以当地最大连续阴雨天数为设计参数，但也要综合考虑负载对电源的要求。对于一般的负载，如太阳能路灯等，可根据经验或需要在3～7天内选取。对于重要的负载，如通信、导航、医院救治等，则在7～15天内选取。另外还要考虑光伏发电系统的安装地点，如果在偏远的地方，蓄电池容量要设计得较大，因为维护人员到达现场需要很长时间。实际应用中，有的移动通信基站由于山高路远，去一次很不方便，除了配置正常蓄电池组外，还要配备一组备用蓄电池组，以备不时之需。这种发电系统把可靠性放在了第一位，已经不能单纯考虑经济性了。

蓄电池的设计主要包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组串并联组合的设计。在光伏发电系统中，大部分使用的都是铅酸蓄电池，主要是考虑到技术成熟和成本等因素，因此下面介绍的设计和计算方法也主要以铅酸蓄电池为主。

（1）基本的计算方法

先将负载每天需要的用电量，乘以根据当地气象资料或实际情况确定的连续阴雨天数，就可以得到初步的蓄电池容量，然后将得到的蓄电池容量数，除以蓄电池容许的最大放电深度系数。由于铅酸蓄电池的特性，在确定的连续阴雨天内绝对不能100％放电而把电用光，否则蓄电池会在很短的时间内寿终正寝，大大缩短使用寿命。因此需要除以最大放电深度系数，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择，需要参考蓄电池生产厂家提供的性能参数资料。一般情况下，浅循环型蓄电池选用50％的放电深度，深循环型蓄电池选用75％的放电深度。计算蓄电池容量的基本公式为：

（2）相关因素的考虑

上面的计算公式只是对蓄电池容量的基本估算方法，在实际应用中，还有一些性能参数会对蓄电池的容量和使用寿命产生影响，其中主要的两个因素是蓄电池的放电率和使用环境温度。

①放电率对蓄电池容量的影响　在此先对蓄电池的放电率概念作个简单回顾。所谓放电率也就是放电时间和放电电流与蓄电池容量的比率，一般分为20小时率（20h）、10小时率（10h）、5小时率（5h）、3小时率（3h）、1小时率（1h）、0.5小时率（0.5h）等。大电流放电时，放电时间短，蓄电池容量会比标称容量缩水；小电流放电，放电时间长，实际放电容量会比标称容量增加。比如，容量100A·h的蓄电池用2A的电流放电能放50h，但要用50A的电流放电就肯定放不了2个小时，实际容量就不够100A·h了。蓄电池的容量随着放电率的改变而改变，这样就会对容量设计产生影响。当系统负载放电电流大时，蓄电池的实际容量会比设计容量小，会造成系统供电量不足；而系统负载工作电流小时，蓄电池的实际容量就会比设计容量大，会造成系统成本的无谓增加。特别是在光伏发电系统中应用的蓄电池，放电率一般都较慢，差不多都在50小时率以上，而生产厂家提供的蓄电池标称容量是10h放电率下的容量。因此在设计时要考虑到光伏系统中蓄电池放电率对容量的影响因素，并计算光伏系统的实际平均放电率，根据生产厂家提供的该型号蓄电池在不同放电速率下的容量，就可以对蓄电池的容量进行校对和修正。当没有详细的容量-放电速率资料时，也可对慢放电率50～200h（小时率）光伏系统蓄电池的容量进行估算，一般相对应的比蓄电池的标准容量提高5％～20％，相应的放电率修正系数为0.95～0.8。光伏系统的平均放电率计算公式为：

对于有多路不同负载的光伏系统，负载工作时间需要用加权平均法进行计算。加权平均负载工作时间的计算方法为：

根据上面两个公式，就可以计算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产厂商提供的该型号蓄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环境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，当蓄电池的温度下降时，蓄电池的容量会下降，温度低于零度以下时，蓄电池容量会急剧下降。温度升高时，蓄电池容量略有升高。蓄电池温度与放电容量关系曲线图如图2-4-5所示。蓄电池的标称容量一般都是在环境温度25℃时标定的，随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到标称容量的95％～90％，-10℃时大约下降到标称容量的90％～80％，-20℃时大约下降到标称容量的80％～70％，所以必须考虑蓄电池的使用环境温度对其容量的影响。当最低气温过低时，还要对蓄电池采取相应的保温措施，如地埋、移入房间，或者改用价格更高的胶体铅酸蓄电池等。

当光伏系统安装地点的最低气温很低时，设计时需要的蓄电池容量就要比正常温度范围的容量大，这样才能保证光伏系统在最低气温时也能提供所需的能量。因此，在设计时可参考蓄电池生产厂家提供的蓄电池温度-容量修正曲线图，从该图上可以查到对应温度蓄电池容量的修正系数，将此修正系数纳入计算公式，就可对蓄电池容量的初步计算结果进行修正。如果没有相应的蓄电池温度-容量修正曲线图时，也可根据经验确定温度修正系数，一般0℃时修正系数可在0.95～0.9之间选取；-10℃时在0.9～0.8之间选取；-20℃时在0.8～0.7之间选取。

另外，过低的环境气温还会对最大放电深度产生影响。当环境气温在-10℃以下时，浅循环型蓄电池的最大放电深度可由常温时的50％调整为35％～40％，深循环型蓄电池的最大放电深度可由常温时的75％调整到60％。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，同时系统成本也不会太高。

（3）实用的蓄电池容量计算公式

上面介绍的计算公式只是一个理论计算，在考虑到各种因素的影响后，将相关系数纳入到上述公式中，才是一个设计和计算蓄电池容量的实用完整公式。即：

当确定了所需的蓄电池容量后，就要进行蓄电池组的串并联设计。下面介绍蓄电池组串并联组合的计算方法。蓄电池都有标称电压和标称容量，如2V、6V、12V和50A·h、300A·h、1200A·h等。为了达到系统的工作电压，就需要把蓄电池串联起来给系统和负载供电，需要串联的蓄电池个数就是系统的工作电压除以所选蓄电池的标称电压。需要并联的蓄电池数就是蓄电池组的总容量除以所选定蓄电池单体的标称容量。蓄电池单体的标称容量可以有多种选择，例如，假如计算出来的蓄电池容量为600A·h，那么可以选择1个600A·h的单体蓄电池，也可以选择2个300A·h的蓄电池并联，还可以选择3个200A·h或6个100A·h的蓄电池并联。从理论上讲，这些选择都没有问题，但是在实际应用当中，要尽量选择大容量的蓄电池以减少并联的数目。这样做的目的是尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响。并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般要求并联的蓄电池数量不得超过4组。蓄电池串、并联数的计算公式为：

三、实训过程

【计算1】某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统。该系统采用直流负载，负载工作电压48V，用电量为每天150A·h。该地区最低的光照辐射是1月份，其倾斜面峰值日照时数是3.5h，选定125W太阳能电池组件，其主要参数：峰值功率125W、峰值工作电压34.2V、峰值工作电流3.65A，计算太阳能电池组件使用数量及太阳能电池方阵的组合设计。

【计算2】某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压48V。该系统有两套设备负载：一套设备工作电流为1.5A，每天工作24h；另一套设备工作电流4.5A，每天工作12h。该地区的最低气温是-20℃，最大连续阴雨天数为6天，选用深循环型蓄电池，计算蓄电池组的容量和串并联数量及连接方式。

【练习题】

（1）根据实训过程中［计算1］列出的参数和要求，计算太阳能电池组件使用数量、太阳能电池方阵的组合方式和串并联示意图。

（2）根据实训过程中［计算2］列出的参数和要求，计算蓄电池组的容量、串并联数量及连接方式示意图。