太阳能高效非逆变照明系统设计
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作者: 陈军
摘 要： 随着光伏发电应用的不断深入，光伏逆变并网发电站的应用效果一直处于试验和假设的成面上，为探索光伏更好的实质性的应用，便着手太阳能非逆变照明系统的研究，实践证明，经过系统整体精确地配置，可实现光伏、联网市电、蓄电池三元供电，蓄电池，负载两元用电的动态平衡系统，光伏利用效率大大提高，降低成本，同时提高节能率。
关键词： 太阳能应用；高效非逆变；蓄电池；照明系统
中图分类号：TK512 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210073－01
1 背景
近些年来，随着国家政策的出台和对光伏发电产业的大力倡导和扶持，各种大小功率以及不同形式的太阳能并网发电站在全国各地落户建成，在不断的试验和实践中，也针对出现的各种技术难关，比如实现和市电同步同相、孤岛效应、损耗大，太阳能并网发电系统技术也更新了几代，但实际效果任然还是在假设层面上。在这种情况下，迫使研究人员去探索更好的应用模式，太阳能高效非逆变技术便出现了，并在大量的实际的太阳能照明工程中体现出它的应用价值。
对于高效非逆变系统，实质上是一个充分考虑效率的光伏、联网市电、蓄电池三元供电，蓄电池、负载二元用电的全智能控系统，以低成本、低压、稳定、安全、高效为特点。太阳能高效非逆变技术的应用是有最优条件的，其一，单个系统功率在数千瓦之内。相比较于太阳能并网发电站，非逆变照明系统的功率就小得多，不采用大功率，是缘于非逆变照明系统采用低压直流供电模式，在大功率的条件下，供电电流大，从控制成本上说，要采用截面积较大的导线，在系统的配置上也要加大，成本高。又因由于整个系统的老化，高成本的应用系统在老化期之内是很难收回成本的；从效率上来说，压降大、损耗大。其二，应用场所的选择，最好选着一些白天也需要照明的公共场所，如地下车库，办公楼道或走廊，可实现白天太阳能直接供电，把多余的能量储存起来，用作晚上供电（晚上供电时间，有系统设计而定）。在这样的条件和场所下使用太阳能非逆变照明系统效率是最高效的，也在诸多的车库和楼道的照明工程证明了这一点。下面分别介绍太阳能非逆变照明系统的组成原理。
图1 太阳能非逆变照明系统原理
2 太阳能电池的选型及其矩阵的设计
一个高效的太阳能发电系统，其首先应有一个高效率的环节――把太阳能转化成电能，这是前提。现有常用的电池板有单晶硅、多晶硅和薄膜等硅材料电池板，从严格意义上说，多晶硅、非晶硅因为晶界缺陷的影响，即使是单晶硅电池的选择也要精选，衰减小，电气参数一致性高，增加系统的使用寿命和发电率。再设计过程中应注意两个问题，一个是量化不定因素，另一个是优化设计。在整个的设计中可能会遇到电池板的串并以及开路电压和工作电压的设定、电池板的发电总功率、安放的环境以及与太阳光线的夹角等不定因数[4]。
当系统的供电电压确定之后，在选型和安装电池板的时首先考虑电池板的串并问题，通过合理的串并已达到适合系统的开路电压，以此来给负载、蓄电池组供电和充电，既要有一个合适的电压给负载供电，又满足给蓄电池充电电压。所以电池板的开路电压和工作电压就必须实现动态运行关系的一致性。理论和实践证明电池板的的最大工作电压一般是开路电压的60%左右，可实现这个开路电压的设定。光电池的整体发电功率要与负载一天用电量和蓄电池的容量进行配置，而这个功率不应该考虑光电池的峰值功率，而是一天发电量的“有效值”，方可满足白天的负载供电，也可以给蓄电池组储存一定容量的能力。
为了能让光伏阵列更多的获取太阳辐射能量和更多的日照时间，除了考虑提高光电池材料的转换效率等问题外，还要考虑放置光电池方位和倾斜角（光电池阵列与水平线的夹角）的最佳方案，根据不同的地理位置来确定倾斜角，使光电池表面与太阳光线的夹角尽可能接近90度。同时应避免光伏阵列被临近物体或阴影遮挡，到不到日照，此时光伏阵列的输出如同均匀受光强减弱，总的输出功率减少[1]。
3 远程高压传输控制模块
在高效非逆变系统中，因采用低压照明供电，如DC24V，当光伏阵列离系统过远时（当光伏阵列离系统在400米之内时，无需用），在光伏电力通过远距离给负载和蓄电池组供电的过程中压降过大，导致光伏阵列的供电电压偏离设置电压点，从而影响系统的整体效率，而增大导线的线径，不利于成本的控制，同时也不利于布线。所以远程高压传输控制模块的设计是必要的。如果光伏阵列离光伏系统大于400米时，则需要进行高压传输来实现，以此来减小在传输过程中的损耗，同时也减小了线径，降低成本。此模块的实现，首先，光伏阵列的输出电压控制在90V到300V的范围内进行电能传输；其次具有放浪涌保护器功能和防反冲功能；再者要实现不稳压、不稳流的变功率输出，因为负载的功率是也是在不停的变化，以此来适应负载的变化。
4 系统中央控制器、蓄电池、负载
高效非逆变系统中的关键部分是蓄电池组，而蓄电池组的关键问题是变功率充电的问题。解决这一问题可从两个方面入手，一是根据光伏电力的输出特性选择宽效率范围的蓄电池[2]，另一方面是补充光伏电力的充电条件，在有联网市电的控制下，保持蓄电池组工作在高效参数的范围之内，以此来提高蓄电池组的应用效率以及使用寿命。
具体的说，在对蓄电池组进行充放电时，中央控制器必须实现对蓄电池组的充放电程度实时监控，对蓄电池组的过冲和过放保护，在设置蓄电
池组高效区间以及电压点时，为了避免中央控制器检测的电压是虚电压的存在[3]，而导致系统不稳定，在控制电路中应加一定的滞回，滞回电压宽度为2V到3V（对24V系统而言）。当蓄电池组工作状态越出了高效区间，中央控制器应作出相应动作，联合联网市电及时纠正。除此之外，中央控制器还有一个很重要的作用，在保持在蓄电池组工作在高效区间内，保持光伏、蓄电池、负载（低压直流负载）、市电的一个动态平衡系统，具体的说，在蓄电池组高压区间内，系统有三个工作状态，即市电、蓄电池、光伏、负载同时工作状态；光伏、蓄电池，负载同时工作状态；光伏直接为负载供电。在高效区间两端的电压点之间，另设一点电压点，中央控制器以检测蓄电池电压为依据，对光伏电力、和市电进行控制，对蓄电池储能和放电进行高效区间保护，同时又通过变化的负载对前面控制进行“反馈”，从而实现一个动态的工作系统，但要实现动态平衡却不太容易，因为光伏电力是变化的，而负载功率也是即时变化的，这样就需要精确的配置，计算出变化负载每天最大的耗电量，再根据蓄电池组的最大储能容量，以此来确定光伏阵列的功率，但此功率不应按峰值来算，应按每天发电量的平均值，才能满足系统的高效率运行，这样市电的参与供电量就少得多，当天气不好时，市电可起到备急作用，可保证照明不受影响。
在太阳能高效非逆变系统中，负载选用的是LED低压灯具，由上图1的系统原理图可以看出，LED灯具可分为变压的、常亮的监控照明以及消防应急照明。LED和光伏的有效结合，使太阳能非逆变系统更具高效性，节能率更高。
图2 北京住建部七号楼地下车库太阳能照明工程
参考文献：
[1]赵争鸣、刘建政、孙晓瑛、袁立强，太阳能光伏发电及其应用，北京：科学出版社，2005.
[2]朱松然，蓄电池手册，天津：天津大学出版社，1998.
[3]朱小同、赵桂先，蓄电池快速充电原理与实践，北京：煤炭工业出版社，1996.
[4]京特莱纳、汉斯卡尔，太阳能的光伏利用，余世杰、何慧若译，1991.9.
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