離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電源電子解決方案分析

光伏太陽能安裝成本的迅速下降使此技術(shù)逐漸成為支持離網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際解決方案。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在2010年計(jì)算的太陽能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價正向每千瓦時15.50美元發(fā)展。這是整個系統(tǒng)的定價，包括太陽能電池、能量存儲設(shè)備以及充電器和逆變器電源電子裝置。

從便攜式公路施工標(biāo)志和閃光指示燈，到偏遠(yuǎn)的泵站和通信網(wǎng)絡(luò)，離網(wǎng)應(yīng)用看起來有無盡的機(jī)遇。成本過高正是此類項(xiàng)目實(shí)施的主要障礙，而不斷降低的價格正逐步打破這樣的屏障，使項(xiàng)目的實(shí)施變得切實(shí)可行。

本文將著重介紹電源電子系統(tǒng)，以及在設(shè)計(jì)離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)時需要牢記的一些關(guān)鍵機(jī)遇和權(quán)衡利弊。在解決大多數(shù)系統(tǒng)級問題時，最簡單的方式通常是從最終應(yīng)用要求開始，然后回過頭來確定和定義整個系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)的規(guī)模。

負(fù)載

負(fù)載幾乎可以是任何設(shè)備，但離網(wǎng)應(yīng)用之所以離網(wǎng)是有原因的。應(yīng)用可能需要是便攜式的，如施工信息標(biāo)志或簡單的危險報警閃光燈?？紤]到其便攜性，將每個負(fù)載都接入電網(wǎng)明顯不可行?；蛘?，也許應(yīng)用位于偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，如蜂窩通信塔或偏遠(yuǎn)泵站。

我們首先應(yīng)該確定在開發(fā)離網(wǎng)太陽能解決方案時需要考慮的一些關(guān)鍵因素。圖1給出了高階系統(tǒng)框圖。使用能量平衡方法時，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類型和隨時間表現(xiàn)出的特性。

圖1：高階系統(tǒng)框圖

首先要確定負(fù)載類型和所有特殊要求。是恒定負(fù)載還是可變負(fù)載?是僅在白天使用還是僅在夜晚使用?是間斷使用還是持續(xù)使用?了解負(fù)載類型及其特性有助于確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。例如，施工危險報警閃光器通常是恒定脈動負(fù)載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應(yīng)該在白天對這些負(fù)載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運(yùn)行這些負(fù)載。信息標(biāo)志可能是脈動負(fù)載，但在白天和夜晚都需要運(yùn)行。在這種情況下，系統(tǒng)需要確定為在白天支持恒定負(fù)載運(yùn)行，同時對電池組充電以支持整晚連續(xù)運(yùn)行。同樣，泵負(fù)載需要日夜工作，而且不一定是恒定負(fù)載。這里，系統(tǒng)需要能應(yīng)對最壞情況，或者需要備用系統(tǒng)來解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網(wǎng)太陽能應(yīng)用，因?yàn)橄掠陼r沒有多少陽光可對電池充電。很明顯，能采用的負(fù)載類型幾乎無窮無盡，圖2僅列舉了上面討論過的一些負(fù)載類型。

圖2：常見負(fù)載類型

在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關(guān)鍵是了解平均日負(fù)載。當(dāng)充分了解負(fù)載和工作條件之后，指定能量存儲要求就變得簡單直接了。

確定能量存儲的規(guī)模

由于太陽每天都升起和落下，我們可以通過簡單的24小時能量平衡法來計(jì)算基本的能量存儲要求。注意圖3，圖中標(biāo)識了工作情況。很明顯，確定能量存儲的規(guī)模時必須支持圖左側(cè)的情況。

圖3：工作狀態(tài)

負(fù)載可能有明確的量，如若干個施工危險報警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應(yīng)用。處理變化的負(fù)載時，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正常”情況，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲組件應(yīng)該在白天充電，其容量應(yīng)設(shè)定為足以在其余的夜晚時間驅(qū)動負(fù)載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過百分之95的情況(即，泵在黃昏開始工作，然后整夜?jié)M載運(yùn)行)。

下面的公式通過將未進(jìn)行充電的時間段內(nèi)的每小時最大負(fù)載功率合并在一起，來捕獲最壞情況的能量存儲要求。

還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無太陽光時，電池組尚未完全充電。考慮的重點(diǎn)是故障成本(即不閃光或不抽吸)。如果泵不抽吸，成本可能非?？捎^。最顯而易見的解決辦法是增加能量存儲組件的容量。但是，總會有更壞的情況。在不容許出現(xiàn)故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個備用系統(tǒng)(如柴油發(fā)電機(jī))并將系統(tǒng)其余部分的規(guī)模調(diào)整為僅適用于正常情況是最合理的。[!--empirenews.page--]

圖3的左側(cè)用于確定能量存儲要求，圖3的右側(cè)用于確定太陽能陣列的規(guī)模。

確定太陽能陣列的規(guī)模

更好地了解負(fù)載要求后，我們可以確定太陽能陣列的規(guī)模。根據(jù)圖3，太陽能陣列的規(guī)模必須設(shè)定為在規(guī)定的充電時間內(nèi)使充電量滿足能量存儲要求，同時在該時間段內(nèi)支持平均負(fù)載輸出。下面的公式標(biāo)識了此高階關(guān)系。

太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲容量/充電時間+平均負(fù)載功率

我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進(jìn)行精確的調(diào)整，還需了解一些內(nèi)在和外在因素。從外部因素角度來看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應(yīng)用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預(yù)計(jì)太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應(yīng)用地點(diǎn)相對于太陽的位置就可以預(yù)計(jì)太陽照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素(包括云層覆蓋和環(huán)境溫度)也可能對系統(tǒng)預(yù)計(jì)接收的陽光照射量以及能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。應(yīng)該清楚這些外部因素將隨著應(yīng)用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。

此外，系統(tǒng)架構(gòu)(尤其是設(shè)備的連接方式)等內(nèi)部因素也會影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實(shí)現(xiàn)100%的轉(zhuǎn)換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲和太陽能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計(jì)算需要產(chǎn)生的功率，需要考慮電源電子裝置。

電源電子裝置拓?fù)?/strong>