光伏系统的设计研究(7)

光伏瓦光伏系统的性能研究

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工作电压:

UP=UPM*12=36V (2-4)

由表2-3知道光伏瓦组件的开路电压VO的变化范围为36.35V～41.77V;可知其光伏瓦工作状态良好。

(b)由于试验的不连续性，我们采用表2-4中上午得出的数据绘制光伏瓦的U-I特性曲线，未采用下午数据是由于环境温度对光伏瓦输出特性的影响比重较大，如充能实验数据中，在下午两点以后光照强度急剧下降，但日常生活中温度却居高不下，导致数据与理论值相比有所偏颇。上午筛选出来的数据为表2-4中时间为8:40～12:20的U1和I1，特性曲线如图2-6。

图2-6 光伏瓦特性曲线

图2-6与图2-5相比较,两者在中间图像上呈相似性,但随着开路程电压的过小或过大,电流发生异常变化,其实质上是由于温度对光伏瓦特性的影响，下面我们将会分析温度和光伏瓦输出特性的关系。

（a） 光伏电池的I-V特性曲线

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 26

（b） 光伏电池的P-V特性曲线 图2-7光伏电池的I-V和P-V特性曲线

温度上升将使光伏电池开路电压下降，短路电流则略微增大，如图2-7所示。随着光伏电池结温的上升，其最大输出功率不断下降，其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池具有负的温度系数。对于常用的单晶硅和多晶硅来说，随着温度的增加其电压、填充因子FF和效率都有不同程度的下降。整体而言当温度升高时光伏电池的额定输出功率会略微下降，工作环境温度的高低对光伏电池的最大输出功率也会有直接影响。

（c）然而观察以上充能的数据,绘制光照强度和电流I1的关系如下图2-8分析图2-8，光照电流和光照强度呈正比例关系

[1]

图2-8 光照强度与电流I1的关系

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（d）观察所有表格中的数据，表2-3中的光强起伏的变化是最为规律的，也就是天气的变化最为稳定，光强值由弱变强，到下午又渐渐变弱，数据误差小，参考价值最高，所以以下几点特性研究都以此数据为准。

我们由图2-8知道充电电流随着光强的变大而变大，而我们充电电压在控制器调节下维持在24V,所以充电功率P=U3*I2的值受太阳光照强度的限制。

我们已经知道充电电流是随光照强度的增大而增大的，而且成正比关系，通过拟定对2-7中的直线得知电流强度I2：

I2=0.0002*光照强度

通过上式我们观察表格2-4中光强与蓄电池端电压V3的变化规律，两者关系如图2-9，观察图像，很清楚地看见在U3的最高点有四点积聚在一起，而连接这四点的一点，在光强为1150lux时U3会极度

图2-9 光强与蓄电池端电压V3的关系

下降，当以超出蓄电池能接受能力的电流充电时，将使蓄电池产生较大热量，随着蓄电池电解液温度的增高，一方面使蓄电池能接受充电电流也变得越大，另一方面导致其内阻减小，这样充电电流进一步加大，使蓄电池产生的热量进一步增多，热量的增加使蓄电池电解液温度进一步升高，这样形成了充电电流和温度相互促进，从而将形成“热失控”，使蓄电池变形、开裂而失效，可能在几个小时内损坏整个电池。而过低的充电电压将使蓄电池不能得到足够的充电，造成“欠充”，经常工作在“欠充”情况下，蓄电池内部容易形成酸分层，使极板底部腐蚀，特别是容量较大、高度较高的固定蓄电池，经常以小充电倍率充电时更容易产生这种情况。会使蓄电池的利用率降低，更重要的是使蓄电池的容量难以得到恢复，在相同的负载下，其放电深度加大。蓄电池会有大量的气体析出，这些气体将对极板上的活性物质产生冲击，从而造成活性物质的脱落。同时可能在蓄电池内无法实现气体再结合，从而降低了U3，抑制充电过程,使蓄电池内部压

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力增大、气体溢出、电解液减少、蓄电池干枯。所以蓄电池的最佳充电效果限制光伏发电的有效光强为1050lux。

（e）由蓄电池规格知道蓄电池的储能E:

E=65*24=1.560kw/h (2-5) 参考表格2-6和负载的规格可以得出能够实际应用的电能E′:

E′=pt=13*105=1.365 kw/h (2-6) 则蓄电池的利用率η： ?=EE'=87.5% (2-7)

上式说明蓄电池的放电深度，由于蓄电池放电在供电能力不能满足负载正常工作

的情况下会自动报警而停止放电，因而剩余电量会在下一次充电中累计，但每次放电都会有12.5%的结余。

（f）分析表格2-3和2-4中的数据，惊奇的发现表2-3中的U2比表2-4中的U2在相同光照下要高出1V左右，由于天气和昼夜关系我们采用阶段性充电方式，已知在表2-3是在已经有过充电前提的条件下测定，所以我们为了验证表2-3的可靠性，进行了表2-5的实验；通过比较表2-4和表2-5，我们可以肯定表2-3的准确性。

铅酸蓄电池是把电能转换变成化学能的装置。根据电化学理论，铅酸蓄电池的两组极板插入稀硫酸溶液里就会发生化学变化而产生电压。铅酸蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅，当两种极板上大部分活性物质都变成了同样的硫酸铅后，蓄电池的电压就下降到不能再放电了。蓄电池放完了电，这时就要马上对它充电，使之恢复成为原来的二氧化铅和绒状铅，这样，蓄电池就可以继续放电。铅蓄电池这种充电和放电过程中的可逆的电化程序的理论“双硫酸化理论”，总的化学反应过程是可逆的，用方程式表示如下：

Pb02(正)+2H2S04(电解液)+Pb(负)≒PbS04(正)+2H20(电解液)+PbS04（负)[15] 活性物质微孔中的硫酸浓度与极板外主体溶液浓度相同，电池的开路电压与此浓度相对应。充电一开始，活性物质表面处(包括孔内表面)的硫酸增多，硫酸浓度上升，而硫酸主体溶液向电极表面的扩散是缓慢的，不能立即补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面处的硫酸浓度继续上升，而决定电极电势大小的是活性物质表面处的硫酸浓度，结果导致电池端电压明显上升。随着活性物质表面处的硫酸浓度继续上升，与主体溶液之间的浓度差减小，阻碍了硫酸向电极表面的扩散过程，所以活性物质表面处的硫酸浓度变化缓慢，电池端电压比较稳定。但是，由于硫酸被增多，整体的硫酸浓度上升，又由于充电电过程中活性物质的增多，其作用面积不断增大，真实电流密度不断减小，超电势不断减小，故放电电压随时问还是缓慢的上升。所以当蓄电池在第一个阶段充电后，蓄电池本身就作为一个电压源形成自我保护状态，充电过程被阻碍而变得缓慢，但观察表2-3和表2-4光强在10560时的电流是相似的，这是因为控制器对充电过程的调节，比如

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对最佳充电电流的保护，使得蓄电池两端的电压升高，这也更好说明了此系统在最好工作时的光强为1050lux。

（g）最后我们观察任意一个表格都发现下午的数据和上午的数据在相同光强下不同数据有不同差异。我们通过分析蓄电池和光伏瓦在不同温度下的情况来说明这个问题。

我们都知道上午的气温随着光强增大而上升，但下午光强减弱，然而气温却居高不下，上述过程我们已经解释过温度对光伏瓦的影响，这里我们主要说明蓄电池和温度的关系。

温度对铅酸蓄电池的电解液粘度和电阻有很大的影响，当电解液温度升高时其扩散 增加、电阻降低，因此蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。在环境温度 10～45℃范围内，铅酸蓄电池容量随温度升高而增加，如阀控密封铅蓄电池在40℃下 的放电电量比在25℃下放电的电量大10％左右。但是，超过一定温度范围情况将发生变 化，如在环境温度45～50℃条件下放电，蓄电池容量明显减小。低温(<5℃)时，电池容 量随温度降低而减小，低温还会导致负极活性物质利用率下降，影响蓄电池容量，如电 池在-IO℃环境温度下放电时，负极板容量仅达35％额定容量。从这方面来看，因为蓄 电池的容量会随着温度升高而增加，所以在蓄电池放电时，对于相同放电容量，温度升 高时其放电深度降低，因此温度升高在一定范围内对蓄电池寿命延长是有利的，然而温 度升高同时会引起蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等加速，这些都将影 响蓄电池寿命。有文献(16)显示，对于铅钙合金板栅蓄电池正常工作温度每提高8℃，蓄电池浮充寿命减少一半。低的工作温度也会对蓄电池的寿命有影响，低温(<5℃)会引起负极失效，温度波动会加速枝晶短路等等，低温时充电，则会造成氢气产生，增大内部压力，缩短电池寿命。

所以综合考虑在设计太阳能光伏系统时对蓄电池安置应最大可能的保证蓄电池有一个良好的工作环境，工作温度控制在20\℃内，这样能够延长铅酸蓄电池的寿命。

2.3本章小结

本章在光伏系统总体设计原则的基础上，详细阐述了光伏发电系统的容量设计，包括太阳能电池方阵的设计，蓄电池容量的设计，并结合大西安当地实际天气验证了了光伏系统硬件的选型设计，经实践证明，此案例选型具有合理性与可行性。

第三章 结论与展望

3.1 全文总结

本次试验更多的是验证，发现问题，和解决问题。通过太阳能资源数据的开发整理和计算并建立太阳能光伏发电评估用的太阳能资源数据表，可以对太阳能光伏发电系统的参数计算及发电量的评估进行正确的指导，在非常方便地得出参数及发电量后，可以

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