独立光伏发电系统研究分析

黄伟

摘要：当前对于能源的争夺是世界各国的焦点问题，而新能源的开发也就成为各国科技研发的重要方面。太阳能光伏发电由于自身的特点已经成为最有可能被普及的项目，被所有人所关注着。在我国各行各业也都已经开始出现太阳能光伏发电装置的应用，随之而来的对于光伏发电可靠性的要求也是越来越高。独立光伏系统中存在过冲过放损坏蓄电池的问题。解决方法可采用单片机充放电控制器进行分段式充电，来解决该项问题。

关键词：；光伏系统分类；蓄电池；充放电控制器；

正文：

一、太阳能发电现状

目前，人类利用太阳能发电主要有两种方式，一种是利用光能发电，一种是利用热能发电。两种方式在太阳能利用中都有所建树，都有着一定程度的发展。本文主要所介绍的主要是太阳能光能发电方式，它对于太阳能的利用率较高，可以直接转换太阳能成为我们所需要的电能。它主要包括四个类型：光伏发电、光生物发电、光感应发电、光化学发电这四种情况。在这四种类型中，光伏发电的效果较高，应用较多。

另外一个太阳能热发电方向说起来就更好理解，事实上我们家用的太阳能热水器原理就比较类似，它是先将太阳光进行汇聚，汇聚到热能管来转化为热能，再将热能通过热轮机等转换装置再转化成电能。太阳能热发电主要利用的方式和传统发电相似，可以通过热轮机（如汽轮机）利用蒸汽推动发电机将进行发电。事实上从我们日常使用的太阳能热水器大家就能感受到，其实太阳能能量十分巨大，如果将太阳能充分利用起来可以解决目前很大部分能源问题。

目前太阳能电池板主要材料是半导体，分为单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种目前三种材料比较其中前者的光电使用变换效率最高，当然随之而来的是价格也最昂贵。而后两种变换效率就明显有差距，但其优势是成本低的多，因此目前有可能大量推广的还是非晶态硅太阳电池。随着科技的不断发展，当非晶态硅的变换效率可以不断提高，太阳能发电便可以和其他传统发电方式进行竞争，得到太阳能产业的迅速扩张。

目前世界上最贵的太阳能电池是卫星上长期使用的太阳能板如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池，光电变换效率十分之高，已接近火力发电效果可达惊人的36%。

二、独立太阳能供电系统介绍

太阳能供电系统按照是否向外界电网馈电，分为三大类，分别是独立光伏供电、并网供电和混合供电。

1、独立光伏发电系统

独立光伏系统与外界电网无连接，其组成主要包括光伏转换组件、中间部件、控制器、蓄电池等部分。其工作过程是先用蓄电池组储存光伏发电的电能，将其转换为蓄电池内部的化学能。当蓄电池能量足够时，再通电给负载，如果是直流负载，则蓄电池可直接供电，如果是交流负载，则需要先进行逆变，将直流转换为交流再进行使用。它与并网供电系统不同，可以克服些许夜间或者阴雨天气无法发电的缺点，因其电能可以进行存储，就可以保证发电和用电之间时间上的差异。这一有点可以让这种系统广泛的利用与边远无电网地区。但这种系统也有其缺点，由于需要进行二次转换，其能量在转换过程中必然会有损耗，效率不高；而且由于蓄电池组有空间需求，发电容量不能够做的非常大，电池组日常需要进行维护，所以还需要寻求更多方法进行克服。

2、常见小型独立光伏发电系统介绍

目前市场上已经出现了很多光伏产品，其中以独立光伏发电系统的产品居多。大部分产品较多的是小型独立光伏发电系统。比较常见的有太阳能路灯、太阳能红绿灯、太阳能灭蚊器等等。以太阳能路灯为例，进行简要介绍。

太阳能路灯利用太阳能电池的光生伏特效应原理，白天时太阳能电池吸收太阳能光子能量产生的电能通过控制器向蓄电池组充电，当夜幕降临时或灯具周围的光照程度较低时，蓄电池提供电力给直流灯负载。直流控制器能够在任何情况下，包括阳光充足或者是长期阴雨天气下，都能确保路灯工作，同时具备光控、声控、温度补偿等功能。太阳能路灯由以下几部分组成：太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池、光源、灯杆以及灯具外壳等。

三、太阳能电池原理

利用蓄电池，来储存太阳能转变而来的电能，这种方式即太阳能电池发电。下面对于太阳能发电方式进行研究，太阳能发电方式主要有两种，分别是光——热——电转换和光——电直接转换方式。相对而言，使用较多的是光——电直接转换的方式。

目前更为受欢迎的是光—电直接转换方式。它的工作原理是利用恒星（如太阳灯）辐射出来的射线会使一些导体或者半导体内部电子发生移动产生电流。当然这些导体或者半导体是一些特定的材料制成，这些材料必须具有一定的光电性质。当各种波长不等的射线照射到材料上时，就会使材料内部的自由电子移动，会产生不等的电流效果。射线的波长越短，频率越大，产生的电流效果就越明显。

四、常见独立光伏发电系统问题分析

在现实工作中，还有着很多类似独立光伏发电系统的应用。一般光伏发电系统应用较为简单，但在实际操作中常常会出现需要经常进行维护的现象，甚至很多时候需要对部件特别是蓄电池和太阳能基板进行更换，这样既增加了成本，使用时又不方便。以太阳能路灯为例，工作原理比较简单。利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，储存在蓄电池中。目前大部分路灯控制器一般还具有光控开关和定时器，可以人为设定路灯的工作时间，也有将路灯的功率分档，前半夜满功率，后半夜半功率工作，以节省电能，保护设备。但问题出现了，大部分路灯都没有通过在线检测蓄电池的剩余容量而自动调整负荷，这样随着而来的就是蓄电池的过放电情况根本无法避免，而蓄电池一旦过放电后，采用的措施一般是强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压过低使负载自动断电等应急处理。这样做的后果是：不但对于蓄电池的使用寿命有了非常大的影响，而且由于蓄电池已经处于深度放电状态，此时切断负载会影响整个系统的正常工作，对于蓄电池状态也于事无补。同样充电时由于对于基板充电无容量限制，又会出现蓄电池过充，太阳能基板电压过高等问题。这时进行维护，多半都是直接更换蓄电池和太阳能基板。随之而来，由于较高的维护费用和稳定性的影响，太阳能路灯的市场应用便会降低，太阳能红绿灯的也有类似的问题。这一情况大大影响了太阳能设备的普及应用，这也是为何城市里很多地方太阳能路灯等设备并没有普及的原因之一。对于小型独立光伏发电系统而言，是一个必须要解决的问题。如何对于蓄电池充放电进行保护，如何避免蓄电池过充过放所带来更换周期减短的情况便成为了光伏设计必须要考虑的因素。

五、问题应对

在独立光伏系统中，太阳能电池的使用寿命一般是在20～30年，而一般负载正常寿命也在1万小时以上，而寿命比较长的免维护铅酸蓄电池的寿命在使用得当的情况下，一般是5～6年，所以铅酸蓄电池的使用寿命基本上就代表着太阳能路灯的阶段性寿命。针对目前独立光伏系统中，蓄电池常常需要更换这一问题作为出发点，需要以单片机太阳能控制器来解决这一问题，通过对蓄电池和电池板电压的控制，从而达到保护用电设备和蓄电池，延长系统寿命的目的。在设计单片机太阳能充放电控制器的时候，可采用以下控制方案，完全避免蓄电池过充和过放，并保证负载以尽可能延长点亮的时间。在充电阶段为三段控制：第一段为快充阶段、第二段浮充阶段、第三段过充阶段；在放电阶段为两段控制：第一段为正常放电阶段、第二段为过放阶段。通过对于蓄电池电压的检测，来作为各阶段对应的分段点。在放电/驱动过程中保证负载足够使用同时，以最长的点亮时间为控制目标，并在到达过放点之前切断负载，可完全避免过放。

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