摘要：  储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其当光伏系统作为独立电力系统运行时，储能环节的优劣更直接影响到光伏发电系统的好坏。因此，设计最佳的储能系统成为光伏发电系统设计的重要一环。分析了太阳能发电系统储能设备的结构特点和运行原理，并在此基础上设计了独立太阳能发电系统的蓄电池储能单元。

关键字：  光伏发电系统，  太阳能发电系统

储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其当光伏系统作为独立电力系统运行时，储能环节的优劣更直接影响到光伏发电系统的好坏。因此，设计最佳的储能系统成为光伏发电系统设计的重要一环。分析了太阳能发电系统储能设备的结构特点和运行原理，并在此基础上设计了独立太阳能发电系统的蓄电池储能单元。

关键词：太阳能;供电系统：储能单元

太阳能发电是一种间歇性的电源，每天24h，一年365d，不能全时满足负荷需求，因此储能成为一个必备而关键的特征以配合这种电力系统的顺畅运行。目前，用于独立太阳能光伏发电系统的储能技术主要归为以下几大类：电化学电池、飞轮、超导线圈等。

1太阳能储能技术介绍

1.1电化学电池

常用的蓄电池就是典型的电化学电池，它把化学反应中氧化还原所释放出来的能量直接转变为直流电能供负载使用。目前，可以用作太阳能储能单元的电化学介质主要有六种，如表1所示。

在以上六种蓄电池中，铅酸蓄电池的能量密度是最低的(如图1所示)，但是它的技术成熟程度和性价比是最高的，因此目前独立太阳能发电系统的储能单元主要采用的就是阀控密封式铅酸蓄电池组。

1.2飞轮

飞轮储能电池的概念起源于20世纪7O年代早期，最初只是想将其应用在上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到20世纪90年代，由于强度高、质量轻的复合纤维转子以及可高速运转的磁轴承取得了进展，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，现正迅速地从实验室走向社会。

相比于蓄电池储能方式，飞轮储能的最大优势在于双程飞轮系统的转换效率可达90%，同时寿命长、高峰值功率容量大、功率管理简单，针对给定的电压和电流，设计更灵活等优点也使飞轮储能技术拥有更好的市场前景。现在欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。随着飞轮技术的进一步发展，价格水平的进一步下降，飞轮储能技术在太阳能储能领域会越来越发挥重要的作用。

1.3超导磁场

将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。

试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。

超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。如果在太阳能光伏系统中能够使用超导储能，它的充放电时间极短的特性会使光伏发电在短时间内需要提供很大功率的工业领域大有作为。

1.4三种电池性能的对比

三种电池性能的对比如表2所示。

纵观表2，飞轮储能和超导储能在性能上有着化学电池无可比拟的优势，必将成为储能装置发展的必然趋势，但在现阶段，由于技术和价格的原因，蓄电池仍然是太阳能光伏发电储能的主要方式，下面就来介绍独立太阳能发电系统蓄电池储能单元的设计和实现。

2太阳能光伏发电系统中蓄电池的种类及工作原理

根据光伏发电系统的实际使用情况，与之配用的常见蓄电池一般有三种：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂电池，其中铅酸蓄电池由于性价比高和技术成熟成为主流。

2.1光伏发电系统中铅酸蓄电池的选择依据

独立光伏发电系统中的蓄电池，因为使用地的自然条件和使用方式的不同，因此有不同的选择标准。例如，不同的蓄电池标称容量不同，有5、24、72、100、240、720小时率等，每天的放电深度也不相同，南美的秘鲁用于"阳光计划"的蓄电池要求每天40%~50%的中等深度放电，而我国"光明工程"项目中的家用系统使用的电池只进行20%~30%的放电，日本用于航标灯的蓄电池则为小电流长时间放电。

虽然条件、要求、标准不同，选择也不同，但是根据我国独立太阳能光伏发电系统的使用特点，蓄电池组应满足以下基本技术性能要求：

(1)太阳能光伏发电系统中的蓄电池应是适用于循环应用的长寿命电池，一般我国太阳能光伏发电系统设计蓄电池循环深度为50%，在此循环深度下，循环寿命应达到1000次以上。

(2蓄电池的工作环境温度为一10~40℃，湿度为90%，最高海拔高度为5000m。因此当太阳能光伏系统所处的外部环境比较恶劣时，应特别注意蓄电池的气阀压力范围和高低温放电性能。在一10℃时按10小时率放电，要求放出实际容量8O%以上。

(3)太阳能光伏系统中蓄电池放电深度不稳定，容易出现过放电的情况，因此电池要求有较强的过放电后的容量恢复性能，要求蓄电池100%放电到0V，搁置120h后，充电可恢复到实际容量的95%以上。

(4)太阳能光伏发电系统用蓄电池处于循环使用，系统中电池数量较多，因此对整组电池容量的均一性要求较高，配组的储能电池容量偏差要求小于5%，以提高电池的循环寿命。

(5)对蓄电池组应有防爆、阻燃、抗震的要求;其自放电应小于4%/28d;恒流过充电寿命应符合YD，rf799-2002标准的要求。

表3中列出各种蓄电池的种类和特征，可以根据需要对蓄电池的种类进行选择。

2.2独立太阳能光伏电站蓄电池容量的计算方法

为独立太阳能光伏系统选配蓄电池，要考虑电压电流特性等电气性能以及成本、尺寸、质量、寿命、维护性、安全性、再利用性等特点，在此基础上再考虑经济性以选择最佳。基本的设计步骤为：(1)详细计算负载所需的输入电压及输入电流，确定蓄电池组件数;(2)查询安装场所的日照数据，由安装场所的El照条件和负载的重要性设定没有光照的时间(通常5～14d左右);(3)由蓄电池的期望寿命设定放电深度(DOD);(4)使日照量最低的月份的充电量要比负载的放电量大，为此调好太阳电池容量阵列的角度;(5)计算蓄电池的容量C：

由此确定蓄电池的容量。

下面用一个设计实例来进一步说明：现设计一套太阳能路灯，灯具效率为30w，每天工作6h，工作电压为12V，蓄电池维持天数取5d，衰减率取O.8，请求出太阳能光伏系统蓄电池的基本配置。

(1)负载功率为30w，t作电压为12v，选用标准组件2v的密封型蓄电池，则蓄电池串联数=12V/2V=6只。因此6只蓄电池串联就可达到标准电压;

(2)根据天气资料的实际情况确定蓄电池存储天数，本例中设定为5d;

(3)设计放电深度为50%;

(4)蓄电池的容量为：C=30x6×5÷0.8÷0.5÷12=187.5Ah。

因此在本例中，可以选择6只标称电压为2V的密封型蓄电池组串联而形成太阳能光伏系统的储能设备，蓄电池容量为187.5Ah。

注意：本实例的设计温度为25℃，放电温度较低时，例如5℃时的蓄电池容量为95%，～5℃时的蓄电池容量则变为82%，所以在设计时要考虑到外界气候的具体条件，如果要在-15℃以下的环境中使用，有必要咨询厂商。

2.3独立太阳能光伏电站蓄电池在设计和安装时的其他注意事项

太阳能光伏发电系统中的蓄电池除要起到储能功能外，还要起到稳压器的作用，同时在设计和使用的过程中也应注意以下几点问题：(1)为防止蓄电池的过充或过放引起的蓄电池损坏，因此在选择光伏电站的控制器时要加入充放电的检测保护功能;(2)在超过4800Ah的场合，有必要考虑消防措施，要选择符合火灾预防条例的产品;(3)对蓄电池的选择，除要进行上述计算之外，还要注意太阳电池阵列与蓄电池的容量之间的匹配性能;(4)蓄电池串联的个数要满足各种器件引起的压降;(5)充分研究平时的维持充电方法，经常保持蓄电池的良好状态;(6)因为蓄电池本身质量大，所以应选择耐负荷的场所;(7)应选耐地震结构。

3结束语

储能系统的优劣，直接影响到独立太阳能光伏系统的运行情况。因此，根据实际情况，合理的确定储能系统的设计方案是独立太阳能光伏系统设计的重要一环。而随着科学技术的进一步发展，飞轮储能、超导储能等技术也会日益成熟，这将为我国的光伏产业的发展开拓出更多更新的领域。