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离网光伏发电系统设计应注意的关键因素林金水漳州科华技术有限责任公司摘要：本文对影响离网光伏发电系统运行寿命几大关键部件以及设计选型需考虑的主要问题进行分析，可供光伏应用方案设计时参考。关键词：光伏离网系统、太阳能控制器、太阳能电池板1引言近年来来，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如下图：光伏离网系统基本由光伏板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器组成。2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。以上几种电池的特点如下表：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，单晶/多晶硅光伏板的电压-温度曲线如下图：开路电压温度大约每升高1C每片电池的电压减少5mV太阳能电池板开路电压与温度关系图在夏季，光伏板温度可以达到60C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。3蓄电池离网光伏系统中，最容易失效的主要部分应该就是电池，而电池的投资一般和PV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，以下是汤浅电池NP系列的循环使用寿命和浮充使用寿命曲线图。汤浅NP系列循环寿命曲线汤浅NP系列浮充寿命曲线光伏离网应用系统，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，下图是汤浅NP系列的温度与浮充寿命关系图：汤浅NP系列电池温度与浮充寿命关系图上图可以看出，当环境温度高于25C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30C以上，部分在太阳直晒的地方，可能达到50C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。电池厂家所给的参数都是指针对单节电池的试验数据，当实际使用时多结电池串联时，随着循环次数的增加，电池间的差异必然加大，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。充电电压：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。汤浅NP系列充电电压与温度关系图因此，在电池的选择上，因重点考虑：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。4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。市场上某进口知名品牌的带MPPT功能控制器如下图：图中可以看出，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。BUCK电路MPPT控制电路显示及通信太阳能电池板最大开路电压150VDC48VDC电池组监控通信带MPPT的太阳能控制器不带MPPT功能的控制器原理框图如下：控制电路显示及通信监控发电机K1D1J1J2太阳能电池板负载电池组典型光伏离网控制器原理框图当蓄电池充电到设定电压，K1断开，电池对负载放电一小会儿后，K1再接通，太阳能电池板再对电池充电，因为K1需要频繁闭合，一般选用低内阻的MOSFT管。也有厂家选用继电器的，寿命存在较大隐患。D1用于无日照时，避免蓄电池对太阳能电池板方向放电。J1是一旦K1击穿时，可以断开，起到对电池的保护！J2是对电池的放电进行保护，当电池电压低于设定值时断开。另外设计比较好的控制器一般都具有完善的监控接口，部分还具有发电机控制功能。另外，若应用在通信系统，一般要选择正极接地方式，而且对负载一般要设计有二次下电功能，当电池放电到一定程度时，可以先将次要负载断开，继续对重要负载保持供电到保护点，J2断开了保护。因为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