光伏LED照明系統(tǒng)中太陽電池和蓄電池的配置選擇

摘 要：光伏發(fā)電應(yīng)用中最為直接和廣泛的就是照明系統(tǒng)的應(yīng)用，既可以不連接電網(wǎng)也可以和電網(wǎng)同時使用，是新興節(jié)能建筑的主要配置之一。在建設(shè)光伏照明系統(tǒng)時，發(fā)電和儲電是重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：光伏；照明；蓄電池

獨立的光伏發(fā)電照明系統(tǒng)一般配備太陽電池、蓄電池、光源及控制電路四個主要模塊。其中太陽電池和蓄電池是光伏照明系統(tǒng)中的能源保障，其功能性和可靠性尤為重要。

1 太陽電池的選擇和配置

1.1 太陽電池的選擇

最早出現(xiàn)的太陽能電池是采用單晶硅制造而成的，硅是地球上較為豐富的一種元素，過去提煉單晶硅技術(shù)上有難度，因此人們在研制單晶硅太陽板的同時又同時開發(fā)了多晶硅太陽板和非晶硅太陽板，以及一些其他材料的太陽能電池。

目前，大部分的太陽能電池的制造原理是通過半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，把光能轉(zhuǎn)化為電能。除硅系原材料外，砷化鎵、銅銦硒和硫化鎘也可以用作太陽能電池的原材料來使用，但制造技術(shù)和原材料的物理特性決定了其光電轉(zhuǎn)換效率有所差異，如表1：

表1

考慮到市場因素和深度開發(fā)的前景，一般尋求以下幾種特性的材料作為重點研發(fā)的方向，即無公害、原材料豐富、制造成本低、轉(zhuǎn)化效率高、壽命長。鑒于這種要求，晶體硅在光伏半導(dǎo)體材料的制作中仍具有不可替代的位置，占目前市場份額的90%以上。

單晶硅光伏材料的轉(zhuǎn)換效率目前是最高的，但其制造工藝復(fù)雜，工業(yè)消耗較為可觀。非晶硅的成本相對低廉，但轉(zhuǎn)換效率較低，效率衰減相對迅速。多晶硅相對來說轉(zhuǎn)換率和制造成本都是較為合適的，是目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。一般來說，制造光伏LED照明系統(tǒng)采用的就是多晶硅太陽板。

1.2 容量計算

在太陽電池容量的設(shè)計中，因其造價高昂，需綜合考慮電路負荷和制造成本。基本原則是電池板每天的轉(zhuǎn)化電量略大于負載消耗的電量，但由于太陽能獲取的多少與季節(jié)有著較為密切的關(guān)系，設(shè)計時需考慮冬季情況下能滿足需求的最小值。所以總的來說，光伏照明系統(tǒng)的設(shè)計需考慮的參數(shù)有開路電壓、額定功率、短路電流、安裝地年平均輻射量、負載電壓電流、負載日用電時數(shù)等，計算公式如下：

其中，T1為照明時間，T2為當日有效光照時間，PLED、Ppv分別為光源、太陽電池的功率，k為安全系數(shù)。我國處于赤道以北，故太陽能板需朝南安裝，幾個主要城市的傾角表如表2所示。

2 蓄電池配置

2.1 蓄電池的選用

光伏照明最主要的儲能方式依舊是傳統(tǒng)的蓄電池，它在白天接收太陽能板產(chǎn)生的電能，晚上再為照明系統(tǒng)提供電源，它的容量需求比負載所需的實際電量要大，且要充分考慮因環(huán)境溫度、濕度、設(shè)計壽命內(nèi)的容量衰減帶來的影響，考慮到其工況的特殊性，一般要求蓄電池工作壽命長、充放電次數(shù)多、維護簡單。

盡管閥控式密封鉛酸蓄電池在蓄電池的領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分市場，但它重量大，單位質(zhì)量容量低的缺點也十分明顯，目前的趨勢是重點研究其他替代電池的可行性，如鋰離子電池和金屬氧化物鎳電池等。各種電池的自身特性也限制了它們?nèi)娴膽?yīng)用，包括成本和穩(wěn)定性，以及快速充放電下的壽命等。不同電池的特性對比如下表3：

表3

可以看出，相比較之下，鉛酸蓄電池的重量比能量、體積比能量不如鋰離子、鎳鎘和鎳氫電池，但其性價比優(yōu)勢還是比較明顯的。特別是作為備用電源、儲能電源和動力電源，由于其容量大和放電曲線較好，且無記憶效應(yīng)，因此光伏照明系統(tǒng)大多數(shù)仍采用鉛酸蓄電池。

2.2 容量計算

光伏照明系統(tǒng)一般選用耐過充放的閥控式密封型蓄電池，容量B計算按如下公式：

其中，bc是蓄電池附加容量，其取值為一年內(nèi)方針發(fā)電容量低于負載耗電容量（Ah）月份的累計值，Q1為負載平均每天的耗電容量，n為最長陰雨天，dt為環(huán)境溫度修正系數(shù)。

在光伏照明系統(tǒng)中，LED光源的功率不大，蓄電池放電電流較小，因此綜合考慮鉛酸蓄電池可以滿足需求。

參考文獻

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作者簡介：董慧敏，副教授，碩士，研究方向：電氣控制。