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太阳能发电后剩余的电量能不能存储

作者:admin发布时间:2020-01-30 17:58

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  太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成,其系统组成如图1-1所示。

  太阳能电池单体是光电转换的最小单元,尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为20-25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后,就成为太阳能电池组件,其功率一般为几瓦至几十瓦,是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上,就构成了太阳能电池方阵,可以满足负载所要求的输出功率 (见图1-2)。

  常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成,在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线,下表面是金属层。硅片本身是P型硅,表面扩散层是N区,在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖,以便减少太阳能的反射损失。

  将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时,将有电流流过该负载,于是太阳能电池就产生了电流;太阳能电池吸收的光子越多,产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定,低于基能能量的光子不能产生自由电子,一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子,多余的能量将使电池发热,伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

  一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压,远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要,需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池,这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上,太阳能电池的标准数量是36片(10cm×10cm),这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压,正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

  通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件,具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力,广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时,可把多个组件组成太阳能电池方阵,以获得所需要的电压和电流。

  太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。

  这种组件的前面是玻璃板,背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中,电池与接线盒之间可直接用导线连接。

  组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性,也称为Ⅴ-Ⅰ特性曲线所示。Ⅴ-Ⅰ特性曲线所示的电路装置进行测量。Ⅴ-Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0,此时的电流称为短路电流Isc;如果电路开路即I=0,此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积,即P=VI 。

  当太阳能电池组件的电压上升时,例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短路条件下)开始增加时,组件的输出功率亦从0开始增加;当电压达到一定值时,功率可达到最大,这时当阻值继续增加时,功率将跃过最大点,并逐渐减少至零,即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点,称为最大功率点;该点所对应的电压,称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压);该点所对应的电流,称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流);该点的功率,称为最大功率Pm。

  随着太阳能电池温度的增加,开路电压减少,大约每升高1C每片电池的电压减少5mV,相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/C。也就是说,如果太阳能电池温度每升高1C,则最大功率减少0.4%。所以,太阳直射的夏天,尽管太阳辐射量比较大,如果通风不好,导致太阳电池温升过高,也可能不会输出很大功率。

  由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度,因此太阳能电池组件的测量在标准条件下(STC)进行,测量条件被欧洲委员会定义为101号标准,其条件是:

  在该条件下,太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率,表示为Wp(peak watt)。在很多情况下,组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

  通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的,因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置;此外,在测量的过程中,太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。

  如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时,被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热,这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量,都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏,需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管,以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

  连接盒是一个很重要的元件:它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线.充放电控制器:

  充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命,充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器,按照开关器件在电路中的位置,可分为串联控制型和分流控制型;按照控制方式,可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和PWM脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。开关器件,可以是继电器,也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器,只能用MOSFET模块作为开关器件。

  逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电,当负载是交流负载时,逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统,将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形,又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器,电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器,成本高,但可以适用于各种负载。从长远看,SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。

  其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是:(1) 自放电率低;(2)使用寿命长;(3) 深放电能力强;(4)充电效率高;(5) 少维护或免维护;(6)工作温度范围宽;(7) 价格低廉。

  目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池;配套200Ah以下的铅酸蓄电池,一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

  蓄电池组是光伏电站的贮能装置,由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来,以供应用。

  光伏电站中与太阳能电池方阵配用的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工作,它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大,因此,多数时间是处于浅放电状态。当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少,而出现太阳能电池方阵充电不足的情况时,可启动光伏电站备用电源—柴油发电机组给蓄电池组补充充电,以保持蓄电池组始终处于浅放电状态。固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低,是我国光伏电站目前选用的主要贮能装置。

  铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。极板组是由单片极板组合而成,单片极板又由基极(又叫极栅)和活性物质构成。铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成,正极的活性物是二氧化铅,负极的活性物质是海绵状纯铅。

  极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉,因而使用普遍;缺点是在充放电时活性物质容易脱落,因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实,在放电过程中活性物质脱落较少,因此寿命长;缺点是笨重,制造时间长,成本高。隔板位于两极板之间,防止正负极板接触而造成短路。材料有木质、塑料、硬橡胶、玻璃丝等,现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。

  电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。其比重视电池的使用方式和极板种类而定,一般在1.200-1.300(25℃)之间(充电后)。

  蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来,使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。由还原物质构成的电极为负极。由氧化态物质构成的电极为正极。当外电路接近两极时,氧化还原反应就在电极上进行,电极上的活性物质就分别被氧化还原了,从而释放出电能,这一过程称为放电过程。放电之后,若有反方向电流流入电池时,就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。这种可重复使用的电池,称为二次电池或蓄电池。如果电池反应的可逆变性差,那么放电之后就不能再用充电方法使其恢复初始状态,这种电池称为原电池。

  电池中的电解质,通常是电离度大的物质,一般是酸和碱的水溶液,但也有用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作为电解质的蓄电池,称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地,又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。实际上,电池的端电压随充电和放电的过程而变化。

  铅酸蓄电池在充电终止后,端电压很快下降至2.3伏左右。放电终止电压为1.7-1.8伏。若再继续放电,电压急剧下降,将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为+40℃―-40℃。铅酸蓄电池的安时效率为85%-90%,瓦时效率为70%,它们随放电率和温度而改变。

  凡需要较大功率并有充电设备可以使电池长期循环使用的地方,均可采用蓄电池。铅酸蓄电池价格较廉,原材料易得,但维护手续多,而且能量低。碱性蓄电池,维护容易,寿命较长,结构坚固,不易损坏,但价格昂贵,制造工艺复杂。从技术经济性综合考虑,目前光伏电站应以主要采用铅酸蓄电池作为贮能装置为宜。

  蓄电池每单格的标称电压为2伏,实际电压随充放电的情况而变化。充电结束时,电压为2.5-2.7伏,以后慢慢地降至2.05伏左右的稳定状态。

  如用蓄电池做电源,开始放电时电压很快降至2伏左右,以后缓慢下降,保持在1.9-2.0伏之间。当放电接近结束时,电压很快降到1.7伏;当电压低于1.7伏时,便不应再放电,否则要损坏极板。停止使用后,蓄电池电压自己能回升到1.98伏。

  铅酸蓄电池的容量是指电池蓄电的能力,通常以充足电后的蓄电池放电至端电压到达规定放电终了电压时电池所放出的总电量来表示。在放电电流为定值时,电池的容量用放电电流和时间的乘积来表示,单位是安培小时,简称安时。

  蓄电池的 “标称容量”是在蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流及一定的电解液温度下单格电池的电压降到规定值时所能提供的电量。

  蓄电池的放电电流常用放电时间的长短来表示(即放电速度),称为“放电率”,如30、20、10小时率等。其中以20小时率为正常放电率。所谓20小时放电率,表示用一定的电流放电,20小时可以放出的额定容量。通常额定容量用字母 C表示。因而C20表示20小时放电率,C30表示30小时放电率。

  铅酸蓄电池的型号由三个部分组成:第一部分表示串联的单体电池个数;第二部分用汉语拼音字母表示的电池类型和特征;第三部分表示20小时率干荷电式(C20)的额定容量。例如 6-A-60型蓄电池,表示6个单格(即12伏)的干荷电式铅酸蓄电池,标称容量为60安时。

  电解液的主要成份是蒸馏水和化学纯硫酸。硫酸是一种剧烈的脱水剂,若不小心,溅到身上会严重腐蚀人的衣服和皮肤,因此配制电解液时必须严格按照操作规程进行。

  配制电解液的容器必须用耐酸耐高温的瓷、陶或玻璃容器,也可用衬铅的木桶或塑料槽。除此之外,任何金属容器都不能使用。搅拌电解液时只能用塑料棒或玻璃棒,不可用金属棒搅拌。为了准确地测试出电解液的各项数据,还需几种专用工具。

  电液比重计是测量电解液浓度的一种仪器。它由1橡皮球、2玻璃管、3密度计和4橡皮插头构成。

  使用电液比重计时,先把橡皮球压扁排出空气,将橡皮管头插入电解液中,慢慢放松橡皮球将电解液吸入玻璃管内。吸入的电解液以能使管内的密度计浮起为准。测量电解液的浓度时,温度计应与电解液面相互垂直,观察者的眼睛与液面平齐,并注意不要使密度计贴在玻璃管壁上;观察读数时,应当略去由于液面张力使表面扭曲而产生的读数误差。

  常用带胶球密度计的测量范围在1.100-1.300之间,准确度可达1‰。

  一般有水银温度计和酒精温度计两种。区分这两种温度计的方法,是观察温度计底部球状容器内液体的颜色,酒精温度计的颜色是红色,水银温度计的颜色是银白色。由于在使用酒精温度计时一旦温度计破损酒精溶液将对蓄电池板栅有强烈的腐蚀作用,所以一般常用水银温度计来测电解液的温度。

  当接上高率放电电阻丝时, 电瓶电压表可用来测量蓄电池的闭路电压(即工作电压)。卸下高率放电电阻丝,可作为普通电压表使用,用来测量蓄电池的开路电压。

   要用无色透明的化学纯硫酸,严禁使用含杂质较多的工业用硫酸。

   应用纯净的蒸馏水,严禁使用含有有害杂质的河水、井水和自来水。

   应在清洁耐酸的陶瓷或耐酸的塑料容器中配制,避免使用不耐温的玻璃容器,以免被硫酸和水混合时产生的高温炸裂。

   配制人员一定要做好安全防护工作。要戴胶皮手套,穿胶靴及耐酸工作服,并戴防护镜。若不小心,将电解液溅到身上,要及时用碱水或自来水冲洗。

   配制前按所需电解液的比重先粗略算出蒸馏水与硫酸的比例。配制时必须将硫酸缓慢倒入水中,并用玻璃棒搅动,千万不能用铁棒和任何金属棒搅拌,千万不要将水倒入硫酸中,以免强烈的化学反应飞溅伤人。

   新配制的电解液温度高,不能马上灌注电池,必须待稳定降至30℃时倒入蓄电池中。

   由于电解液的比重会随温度的变化而变化(温度每上升1℃,电解液比重减小0.0007),所以测量比重时应根据实际温度进行修正(见表6-1、表6-2)。

  电解液温度(℃) 比重修正数值 电解液温度(℃) 比重修正数值 电解液温度(℃) 比重修正数值

  联接蓄电池,一定要注意按照控制器的使用说明书的要求联接,而且电压一定要符合要求。若蓄电池的电压低于要求值时,应将多块蓄电池串联起来,使它们的电压达到要求。

   加完电解液的蓄电池应将加液孔盖拧紧,防止有杂质掉入电池内部。胶塞上的通气孔必须保持畅通。

   各接线夹头和蓄电池极柱必须保持紧密接触。联接导线接好后,需在各联接点涂上一层薄凡士林油膜,以防接点锈蚀。

   蓄电池应放在室内通风良好、不受阳光直射的地方。距离热源不得少于2米。室内温度应经常保持在10-25℃之间。

   蓄电池与地面之间应采取绝缘措施,例如垫置木板或其它绝缘物,以免因电池与地面短路而放电。

   放置蓄电池的位置应选择在离太阳能电池方阵较近的地方。联接导线应尽量缩短;导线线径不可太细。这样可以减少不必要的线; 酸性蓄电池和碱性蓄电池不允许安置在同一房间内。

   对安置蓄电池较多的蓄电池室,冬天不允许采用明火保温,应用火墙来提高室内温度。

  蓄电池在太阳能电池系统中的充电方式主要采用 半浮充方式进行。这种充电方法是指太阳能电池方阵全部时间都同蓄电池组并联浮充供电,白天浮充电运行,晚上只放电不充电。

  白天,当太阳能电池方阵的电势高于蓄电池的电势时,负载由太阳能电池方阵供电,多余的电能充入蓄电池,蓄电池处于浮充电状态。

  当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时,全部输出功率都由蓄电池组供电,由于阻断二极管的作用,蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。

   干荷式蓄电池加电解液后静置20-30分钟即可使用。若有充电设备,应先进行4-5小时的补充充电,这样可充分发挥出蓄电池的工作效率。

   无充电设备时,在开始工作后,4-5天不要启动用电设备,用太阳能电池方阵对蓄电池进行初充电,待蓄电池冒出剧烈气泡时方可起用用电设备。

   充电时误把蓄电池的正、负极接反,如蓄电池尚未受到严重损坏,应立即将电极调换,并采用小电流对蓄电池充电,直至测得电液比重和电压均恢复正常后方可启用。

   在太阳能资源较差的地方,由于太阳能电池方阵不能保证设备供电的要求而使蓄电池充电不足。

   每年的冬季或连续几天无日照的情况下,用电设备照常使用而造成蓄电池亏电。

   几块电池串联使用时,其中一块电池由于过载而导致整个电池组亏电。

   观察到照明灯泡发红、电视图象缩小、控制器上电压表指示低于额定电压。

   用电液比重计量得电液比重减小。蓄电池每放电25%,比重降低0.04(见表6-3)。

   用放电叉测量电流放电时的电压值,在5秒钟内保持的电压值即为该单格电池在大负荷放电时的端电压。端电压值与充、放电程度之间的关系见表3-3。使用放电叉时,每次不得超过20秒。

  表6-3 蓄电池不同贮(充)放电程度与电解液比重、负荷放电叉电压之间的关系

  当发现蓄电池处于亏电状态时,应立即采取措施对蓄电池进行补充充电。有条件的地方,补充充电可用充电机充电,不能用充电机充电时,也可用太阳能电池方阵进行补充充电。

  使用太阳能电池方阵进行补充充电的具体做法是:在有太阳的情况下关闭所有有用电器,用太阳能电池方阵对蓄电池充电。根据功率的大小,一般连续充电3-7天基本可将电池充满。蓄电池充满电的标志,是电解液的比重和电池电压均恢复正常;电池注液口有剧烈气泡产生。待电池恢复正常后,方可启用用电设备。

   值班人员或蓄电池工要定期进行外部检查,一般每班或每天检查一次。

  检查内容: ①室内温度、通风和照明;②玻璃缸和玻璃盖的完整性;③电解液液面的高度,有无漏出缸外;④典型电池的比重和电压,温度是否正常;⑤母线与极板等的连接是否完好,有无腐蚀,有无凡士林油;⑥室内的清洁情况,门窗是否严密,墙壁有无剥落;⑦浮充电流值是否适当;⑧各种工具仪表及保安工具是否完整。

   蓄电池专责技术人员或电站负责人会同蓄电池工每月进行一次详细检查。

  检查内容: ①每个电池的电压、比重和温度;②每个电池的液面高度;③极板有无弯曲、硫化和短路;④沉淀物的厚度;⑤隔板、隔棒是否完整;⑥蓄电池绝缘是否良好;⑦进行充、放电过程情况,有无过充电、过放电或充电不足等情况;⑧蓄电池运行记录簿是否完整,记录是否及时正确。

   日常维护工作的主要项目: ①清扫灰尘,保持室内清洁;②及时检修不合格的落后电池;③清除漏出的电解液;④定期给连接端子涂凡士林;⑤定期进行充电放电;⑥调整电解液液面高度和比重。

   运行正常,供电可靠。a.蓄电池组能满足正常供电的需要。b.室温不得低于0℃,不得超过30℃;电解液温度不得超过35℃。c.各蓄电池电压、比重应接近相同,无明显落后的电池。

   构件无损,质量符合要求。a.外壳完整,盖板齐全,无裂纹缺损。b.台架牢固,绝缘支柱良好。c.导线连接可靠,无明显腐蚀。d.建筑符合要求,通风系统良好,室内整洁无尘。

   主体完整,附件齐全。a.极板无弯曲、断裂、短路和生盐。b.电解液质量符合要求,液面高度超出极板10-15毫米。c.沉淀物无异状、无脱落,沉淀物和极板之间距离在10毫米以上。d.具有温度计、比重计、电压表和劳保用品等。

   技术资料齐全准确,应具有: a.制造厂说明书;b.每个蓄电池的充、放电记录;c.蓄电池维修记录

   蓄电池室的门窗应严密,防止尘土入内;要保持室内清洁,清扫时要严禁将水洒入蓄电池;应保护室内干燥,通风良好,光线充足,但不应使日光直射蓄电池上。

   室内要严禁烟火,尤其在蓄电池处于充电状态时,不得将任何火焰或有火花发生的器械带入室内。

   蓄电池盖,除工作需要外,不应挪开,以免杂物落于电解液内,尤其不要使金属物落入蓄电池内。

   在调配电解液时,应将硫酸徐徐注入蒸馏水内,用玻璃棒搅拌均匀,严禁将水注入硫酸内,以免发生剧烈爆炸。

   维护蓄电池时,要防止触电,防止蓄电池短路或断路,清扫时应用绝缘工具。

   维护人员应戴防护眼睛和护身的防护用具。当有溶液落到身上时,应立即用50%苏打水擦洗,再用清水清洗。

   蓄电池外壳应完整、不倾斜,表面应清洁,电解液应不漏出壳外。木隔板、铅卡子应完整、不脱落。

  太阳能发电后剩余的电量能存储在铅酸蓄电池中,这是现在普遍用的存储方法。其它的方法,效率还很低。

  用蓄电池的,目前光伏系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池胶体铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池作为储能电源。

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