離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電源電子應(yīng)用解決方案

光伏太陽(yáng)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(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在2010年計(jì)算的太陽(yáng)能系統(tǒng)安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統(tǒng)定價(jià)正向每千瓦時(shí)15.50美元發(fā)展。這是整個(gè)系統(tǒng)的定價(jià)，包括太陽(yáng)能電池、能量存儲(chǔ)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(lái)有無(wú)盡的機(jī)遇。成本過(guò)高正是此類(lèi)項(xiàng)目實(shí)施的主要障礙，而不斷降低的價(jià)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(yáng)能系統(tǒng)時(shí)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(jí)問(wèn)題時(shí)，最簡(jiǎn)單的方式通常是從最終應(yīng)用要求開(kāi)始，然后回過(guò)頭來(lái)確定和定義整個(gè)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(jiǎn)單的危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈。考慮到其便攜性，將每個(gè)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(kāi)發(fā)離網(wǎng)太陽(yáng)能解決方案時(shí)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(shí)，關(guān)鍵是了解負(fù)載，包括其類(lèi)型和隨時(shí)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(lèi)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(lèi)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(xiǎn)報(bào)警閃光器通常是恒定脈動(dòng)負(fù)載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應(yīng)該在白天對(duì)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(dòng)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(shí)對(duì)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(duì)最壞情況，或者需要備用系統(tǒng)來(lái)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(yáng)能應(yīng)用，因?yàn)橄掠陼r(shí)沒(méi)有多少陽(yáng)光可對(duì)電池充電。很明顯，能采用的負(fù)載類(lèi)型幾乎無(wú)窮無(wú)盡，圖2僅列舉了上面討論過(guò)的一些負(fù)載類(lèi)型。

圖2：常見(jiàn)負(fù)載類(lèi)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(chǔ)要求就變得簡(jiǎn)單直接了。確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模

由于太陽(yáng)每天都升起和落下，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的24小時(shí)能量平衡法來(lái)計(jì)算基本的能量存儲(chǔ)要求。注意圖3，圖中標(biāo)識(shí)了工作情況。很明顯，確定能量存儲(chǔ)的規(guī)模時(shí)必須支持圖左側(cè)的情況。

負(fù)載可能有明確的量，如若干個(gè)施工危險(xiǎn)報(bào)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(shí)，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正?！鼻闆r，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲(chǔ)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(shí)間驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過(guò)百分之95的情況(即，泵在黃昏開(kāi)始工作，然后整夜?jié)M載運(yùn)行)。

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

還有更壞的情況，即在負(fù)載需要工作且無(wú)太陽(yáng)光時(shí)，電池組尚未完全充電?？紤]的