独立光伏系统中蓄电池充放电控制器的设计.docx
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独立光伏系统中蓄电池充放电控制器的设计
摘要
本文首先介绍了光伏发电产业的现状，接着介绍了光伏系统的基本组成，基
本原理，其中对太阳能电池的特性，蓄电池的特性，及光伏系统的配置分别进行
了讨论。
然后探讨了光伏系统的一些关键技术，特别是蓄电池的监控技术。
对蓄
电池的监控技术的关键是蓄电池荷电状态的检测，本文探讨了二三种检测方法：
一
是基于蓄电池在线电压检测蓄电池荷电状态；二是基于蓄电池稳态开路电压检测
蓄电池荷电状态；三是公式法。
本文还从理论上探讨了光伏系统控制器应具有的
功能：
对蓄电池充放电的控制，对太阳方位和高度的跟踪，对太阳能电池最大功
率点的跟踪。
在此基础上介绍了研制的两种小型简单的光伏系统控制器。
两种小型简单的光伏系统控制状态，另一个是通过检测蓄电池的开路电压来判断蓄电池的荷电状态，这两个控制器都是用871pc767单片机实现的。
关键词：
光伏系统、电池监控、太阳能灯
Abstract
Thecurrentsituationofphotovoltaicsystems（pvsystems）isintroducedatfirst，
andthenbasicconcepts，theories，andcomponentsofPVsystemsarediscussedinthis
papeEKeytechnologyofPVsystemischecked，especiallymethodsofbattery
monitoringareexplored．Threemonitoringmethodsofchargingstatearepresented：
themethodbasedonbatteryon—linevoltagemonitonng，themethodbasedonbattery
off-linevoltagemonitoringandthemethodbasedonformulas，Thefunctionswhich
PVsystemcontrollersneedtohavearediscussedintheorytoo，suchascontrollingof
charginganddischarging，adaptationoforientationandpositionofsolarcell，
maximumpowerpointtracking（MPPT）．Onthebasisoftheabovediscussedmethods，
threePVsystemcontrollersaredeveloped．Twoofthethreeareorientatedtowards
simpleandlow—costapplications，butthethirdonebasedORARMcoreprocessorsand
uC／OS—IIembeddedoperatingsystemismorecomplexandadvanced．Thecomplex
contr01hascommunicationfunction．whichcantransferdatawithremotecontrollen
Totransferdatareliably,awirelessprotocolisdeveloped．Finallyoperationdataof
thethreecontrollersaregivenandthedevelopmentofPVindustryinfutureis
predicted．
Keywords：
photovoltaicsystem（PVsystem），batterymonitoring，
solarIamp
一．太阳能应用的形势与本课题的任务
§1．1人类所面临的能源问题
在当今社会能源是经济能否正常运行，以至人类能否生存的一个不可缺少的
关键条件。
现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。
占人们能源消费
的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。
据有关资料显示：
石油储量的
综合估算，可支配的化石能源的极限，大约为1180~1510亿吨，以1995年世界
石油的年开采量33．2亿吨计算，石油储量大约在2050左右年宣告枯竭；天然气
储备估计在131800~152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在
57~65年内枯竭：
煤的储量约为5600亿盹，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以
供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的
估计可维持到2l世纪30年代中期；核聚变到2050年还没有实现的希望。
形势是很严峻的，当前世界多数国家对能源问题都很重视。
新能源技术及节
能技术在世界范围内迅速发展。
太阳能，绿色生物能，燃料电池，海洋能等新能
源的研究与应用为人们描绘出希望。
其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世
界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰。
§1．2太阳能的特点与优势
太阳是个巨大的能源。
万物生长靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来
自太阳的。
煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。
太阳每秒钟
发出的能量有
，相当于每秒钟燃烧
标准煤所发出的能量。
太阳是以辐射的方式向四周转播它的能量的。
太阳发出的能量中约有22亿分之
一到达了地球，约
。
这些能量经过地球大气层的吸收与反射，最终
到达地球表面的约有
。
全世界人们一年所用的各种能量之和也只有
到达地球表面的太阳能的数万分之一。
利用太阳能的潜力是十分大的。
在讨论太阳对地球辐射能的强度时，人们引入了太阳常数。
在地球大气层的
上界，在平均日地距离时，在垂直于太阳光的方向上，在单位时间和单位面积内，
太刚辐射能有一个比较恒定的数值，这个数值就叫太阳常数。
它的值大约是
太阳辐刺能与煤炭，石油，核能相比较，有如下的优点：
1．普遍性。
地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输。
2．无害性。
利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有
噪声，不会污染环境，没有公害。
3．长久性。
只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不
绝。
4．巨大性。
一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量
的总和大几万倍。
§1．3国内外太阳能应用的现状
太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。
太阳能发电又分为光伏发电，
光化学发电，光感应发电和光生物发电。
光伏发电是利用太阳能电池这种半导体
器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式。
光伏发电是当今太阳
能发电的主流。
太阳能热利用在我国已经很普及了。
近十年来，中国的太阳能热利用产业得
以快速发展。
特别是太阳热水器，已初步形成较为完善的产业体系，包括原材料
工业、产品加工制造业、市场及服务业以及相应的科技开发能力。
1999年底，
全国的太阳热水器年产量约为500平方米，总保有量达1500万平方米，居世界
之首。
全国共有大小生产、营销企业1000多家，其中有年产值超亿元的大型企
业十余家。
产业内提供了五万多个就业机会，年总产值近40亿元，年出口额约
2000万美元。
相比之下，太阳能发电，主要是光伏发电，离大规模的应用推广还有很长的
距离，光伏产业也还不是很成熟，还处于成长期。
目前我国已建成的较大的光伏
电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最
大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。
这些电站都建在光照充足，地
理位置偏僻，电网不能到达的地区。
光伏电站有无污染等优势，但由于成本过高
的原因，在短期内仍无法与火电竞争。
近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电
应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，
太阳能路灯等。
随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，
应用的领域会越来越宽广，也许，在不远的将来，光伏发电会成为电网的主力，
人们将拥有充足的清洁能源，人们的生活会更美好!
二、太阳能光伏发电系统
§2．1概叙
太阳能光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立运行系统与并网运行
系统。
独立运行光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统。
并网运行光伏
发电系统是指与电网相连，可以给电网供电的光伏发电系统。
这两种光伏发电系
统都包含太阳能电池方阵，储能装置，控制器，并网系统还包含逆变器，独立系
统如果只带直流负载，则不包含逆变器。
§2．2太阳能电池
图1：
光伏发电系统框
2．2．1太阳能电池的种类
太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能
直接转换成电能的。
太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。
它的尺寸约4
平方厘米到100平方厘米。
太阳能电池单体工作电压为0．45～0．50伏，工作电流
为
，一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池单体进行串联，
并联和封装后，就成为太阳能电池组件。
它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作
为电源使用。
太阳能电池再经过串联，并联并装在义架上，就构成了太阳能电池
方阵。
它可以输出几百瓦，几千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。
常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。
目前世界上有三种已经商品化的硅
太阳能电池：
单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
单晶
硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品
已广泛用于空间和地面。
这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求
99．999％。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶
硅棒，材料性能指标有所放宽。
单晶硅太阳能电池的制造成本最高，但光电转化
效率也最高，最高的达到24％。
目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料，多半
是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而
成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即褥多晶硅锭。
这种硅锭'。
铸成
立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。
多晶
硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12％左
右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，
因此得到大量发展。
非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它
与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，
非常吸引人。
非晶硅太阳电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫PiN
电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，
然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银
电极。
此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现
大批量生产。
同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采用集成电路
的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获
得较高的电压。
现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达2．4伏。
非晶硅太阳电
池存在的问题是光电转换率偏低，且不够稳定，所以尚未大量用作大型太阳能电
源，多半用于如袖珍式电子计算器、电予钟表及复印机等方面。
还有一些类型的
太阳能电池如多元化合物太阳电池，聚光太阳电池。
2．2．2太阳琵电池的电气特性与参数
太阳能电池的伏安特性如图2：
当太阳能电池组件短路时，即V=0时，此时
的电流为短路电流，当电路开路时，I=0，此时的电压为开路电压；当太阳
能电池两端的电压从0上升时，例如逐渐增加负载电阻，在光辐射恒定的条件下，
开始太阳能电池的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。
当电池电压增加到一
定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个最大值只，即最大功率点，之
后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为0，输
出电压达到最大值形，。
太阳能电池的伏安特性还与温度有关系，随着温度的上
升，开路电压减小，在最大功率点的典型温度系数为一0．4%/℃。
在衡量太阳能电池组件的性能时需用到峰值功率，其单位是峰瓦（
）。
在
标准条件下（光谱幅照度
，光谱AM1.5，电池温度25℃），太阳能电
池组件所输出的最大功率被称为峰值功率。
2．2．3太阳能电池的保护
光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件（俗称太阳能板）的保护。
这种
保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。
机械化学方面的保护是指在
封装及安装太阳能板的时候耍考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力。
保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。
在一定的条件下，一个串联支
路中被遮敝的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件
所产生的能量。
被屏蔽的太阳能电池组件将发热，这叫热斑效应。
为了防止太阳
能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一
个旁路二极管。
在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，
其作用足避免由于太阳能板在阴雨天和夜间不发电时，或太阳能板出现短路故障
时，蓄电池组通过太阳能板放电。
防反充二极管串联在太阳能板中起单向导电作
用。
大型系统中还要防雷。
§2．3储能装置
2．3．1独立光伏系统用的储能装置
在独立光伏系统中，由于太阳能电池的输出功率随太阳光照强度在变化，当
夜间或阴雨天时，太阳能电池的输入功率为0或很小，不能满足负载的要求。
因
此独立光伏系统需要一个储能装置，在光照强的时候，把多余的电能储存下来，
供光照弱的时候使用。
可选的储能方法有电容器储能，飞轮储能，超导储能，提
升重物，分解水为氢氧等，但从方便，可靠，价格等综合的角度来看蓄电池是独
立光伏系统储能装置的最佳选择。
小型的独立光伏系统有用铅酸蓄电池的，也有
用镉镍蓄电池的等，但大中型的系统一般用铅酸蓄电池。
因为铅酸蓄电池有如下
的优点：
（1）除锂离子二次电池外，在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池的单格电
压最高，为2伏；
（2）较廉价；（3）可制成小至l安时大至几千安时的各种尺寸
和结构的蓄电池；（4）高低温性能良好，可在一40～60摄氏度条件下工作；（5）
没有记忆效应。
在本课题中，我们也选用铅酸蓄电池作为储能装置。
铅酸蓄电池按用途可以分为起动用系列，固定防酸式，牵引用，铁路客车用，
内燃机车用，摩托车用，航空用等。
按电池盖和排气栓结构可分为开口式，排气
式，防酸隔爆式，防酸消氢式，阀控密封式。
在光伏系统中一般选用固定防酸式
及阀控密封式，现在很多蓄电池厂家专门为光伏系统推出了太阳能应用铅酸蓄电
池。
应用于光伏系统的蓄电池的工作条件一般有以下几个特点：
（1）充电率非常
小；
（2）放电率非常小：
（3）充电时间受到限制，有阳光时才充电，没有就不充
电；（4）不能按一定的规律对蓄电池充电。
普通的铅酸蓄电池工作在这样的环境
下寿命会缩短，而太阳能用铅酸蓄电池针对这些条件进行了改进，能较好的适应
这样的环境。
2．3．2铅酸蓄电池的主要参数
铅酸蓄电池的容量，是指完全处于充满状态的钳酸蓄电池，按一定的放电条
件，放电到所规定的终止电压时，能够释放的电量，其单位用安时（A*h）或瓦
时（W*h）表示。
铅酸蓄电池的容量又分为理论容量，实际容量和额定容量。
理论
容量是根据活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高值。
实际容量是指电池
在一定条件下能输出的电能，低于理论容量。
额定容量是按圈家或有关部门的标
准，保证电池在一定的放电条件下，应该放出的最低限度的容量值。
铅酸蓄电池
某一时刻t的荷电状态SOC指该时刻蓄电池实际容量Q（t）与额定容量Q的比值。
如下式：
铅酸蓄电池的放电深度DOD是蓄电池放出容量与额定容量的比值。
2．3．3铅酸蓄电池常用的充电方法
普通应用的铅酸蓄电池的充电方法有恒流充电，恒压充电及恒压限流充电
等，这些方法在光伏系统中都用不上，因为光伏系统中蓄电池的充电没有固定的
规律，充电的情形是随光照在变化的。
在光伏系统中，蓄电池总的充电策略是在
蓄电池没有充满的情况下，就尽可能多的把太阳能电池产生的电流充进去。
当然
也要考虑蓄电池的接受能力，蓄电池放电后的初始充电电流是有个上限的，随着
充电的进行蓄电池可接受的充电电流在逐渐变小。
若充电电流大于了蓄电池可接
受的电流，会导致蓄电池升温，电极副反应的发生，损害电池。
但在实际的光伏
系统的配置中，蓄电池的充电率往往很小，一般来说充电电流大都在蓄电池可接
受的范围内，所以在一般情况下可以不考虑蓄电池充电电流大于可接受电流的问
题。
在要求严格的情形下，当蓄电池快充满时，充电电流大于可接受电流时，
若是多路的太阳能电池，则可以一路一路的断开太阳能电池，减小充电电流；若
是单路的太阳能电池，则可以使用脉冲充电的方法，或快速充电中的充一会，再
放一瞬间的方法。
不过这样系统的控制就比较复杂了。
2．3．4影响铅酸蓄电池寿命的因素及充放电保护
影响蓄电池寿命的因素有：
放电深度，过充电程度等。
在光伏系统中蓄电池
的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。
在天气晴朗的夏日，蓄电池
放电深度小；在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。
过充电程度也随季节天气
变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。
为了
延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。
当蓄电池放电到一定
程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命；当蓄电池充电到一定程度时
要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。
2．3．5铅酸蓄电池放电控制策略
判断铅酸蓄电池是否达到过放电一般的方法是设定一个电压下限
它是
放电电流的函数
，当蓄电池放电时的端电压低于
时便切断负载，
一直到蓄电池的端电压恢复到一个比U大一点的值后，才重新允许放电。
2．3．6铅酸蓄电池充电控制策略
对光伏系统中的蓄电池充电时，如何对充电电流，充电电压进行控制呢?
主
要的依据是蓄电池的荷电状态。
蓄电池在不同的荷电状态时，所要求的最佳充电
电流，充电电压是变化的，不同的。
如果知道了蓄电池的荷电状态，基本上就能
有效的控制充电电压和电流。
有很多文章和专著对测量铅酸蓄电池的荷电状态这
个问题进行了探讨，也提出了一些比较有效的方法，但由于铅酸蓄电池内部的机
理比较复杂，很多理论都只是一个近似解，离实用所要求的完善，可靠，还有一
定的差距。
探讨光伏系统中铅酸蓄电池荷电状态的检测是本文的重点之一。
对铅酸蓄电池荷电状态的检测归纳起来有两条途径：
第一条途径是从蓄电池内部入手。
首先，让我们再次回顾一下铅酸蓄电池充电的
内部机理。
早期的铅酸蓄电池是开口的，或电池盖是可以打开的。
在电池罩面盛
放的是硫酸溶液，正负电极浸泡在硫酸中，在充电时发生如下的反应：
随着充电的进行，硫酸不断的生成，因而可以通过测量硫酸溶液的密度来估计铅
酸蓄电池的荷电状态。
但这种方法对于现在大量使用的免维护铅酸蓄电池就很不
好实行了。
免维护铅酸蓄电池是密封的，而且它的电解液是吸附在纤维上的。
对
于一般的免维护铅酸蓄电池，普通维护人员要想去测它的电解液密度是不可能
的。
但是我认为这种从蓄电池的内部入手的途径还是很值得研究的。
这个途径是
从蓄电池的本质机理来探讨它的荷电状态，从蓄电池在充电过程中发生的一系列
的变化来指导充电电流，电压的调整。
在这个方向上需要进一步努力的是：
认真
的研究铅酸蓄电池的内部机理，找到合适的从内检测的方法来检测蓄电池的荷电
状态；或者找到充电电流和电压的变化，充电时问的推移对蓄电池内部的影响，
用一种内置的方法测出这种影响。
如果能在蓄电池厂家的配合下，在蓄电池内部
设置这样的检测模块，得到的结果应该比较准确了。
第二条途径是从蓄电池外部参数入手。
蓄电池的外参数包括：
蓄电池的端电
压，端电流，蓄电池的温度。
在从外参数入手的第二条途径中，有一种方法是利用蓄电池稳态开路电压来估算
蓄电池的荷电状态。
在铝酸蓄电池的理论中蓄电池的电动势可表示为：
其中：
E为电池电动势
Eo为所有反应物的活度或压力等于l时的电动势，称为标准电动势
R为摩尔气体常数
T为温度
F为法拉第常数
n为电化学反应中的电子得失数目
从式中可以看出，电动势与硫酸浓度有关，也就是与荷电状态有关。
而蓄电池的
开路电压在数值上接近电动势。
因此，理论上，由蓄电池的开路电压可以估算出
荷电状态。
这种方法比较简便，虽然精度不是很高，但在一些中小型系统中已经
够用了。
但这种方法在实施时有一个问题：
在系统运行时，蓄电池总是连在电路
中的，这时测得的端电压是在线电压，而不是开路电压，要想测开路电压必须将
蓄电池从电路中断开，而且要断开足够长的时间。
在第二条途径中，还有一种测蓄电池荷电状态的方法，它通过建立一个模型来推
算蓄电池的荷电状态。
这种模型也是基于蓄电池的外参数的。
有文献报道如下的
方法。
如图3是蓄电池的等效电路。
图中：
过电压网络是描述蓄电池在充放电过程
中的极化现象，由此引起的过电压用Ƞ表示；
表示蓄电池的端电压；
表示蓄
电池的端电流；
表示蓄电池的平衡电压，与荷电状态有关，并由电压源（Uo）
和随荷电状态而改变的电容两端电压（Usoc）表示；
是蓄电池的有效充电电流，
它与存入和放出蓄电池的能量有关；
是损失电流，它与蓄电池的副反应和自
放电有关。
由图有如下的关系式：
（1）
由前面分析可知，只有
与充入和放出蓄电池的能量有关，因此可以定义蓄电池
的荷电状态的计算公式为：
（2）
其中：
Q是蓄电池的额定容量；
是蓄电池在t=0的时刻的初始荷电状态。
把
（1）代入
（2）得：
（3）
由（3）可知，理论E来看，只要测出端电流
，求出损失电流
，并知道初始
时刻蓄电池的荷电状态
，就可以计算出任一时刻t蓄电池的荷电状态。
损失电流的求法如下：
由巴特勒——伏尔默方程有
（4）
其中：
R为理想气体常数；
T为绝对温度（K）
F为法拉第常数；
β为转移系数
Ƞ为过电压
为交换电流密度，
时，A为活化能，
为比例系数：
当Ƞ为正且较大时，（4）的右边第二项可以忽略不计，故（4）可简化为
（5）
由（5）可得
（6）
其中：
经实验证明在10~60℃内，
保持常数，把
带入（5）得
（7）
在（7）中，令
其中；
=298K，
=2V
则（7）可变为
（8）
在（8）式中，
是蓄电池温度和端电压的函数，即
=f（
，T），在这个函数中
有3个常数参数
，
，
。
我们可以通过试验确定这3个参数，然后就可以
用（8）式汁算出任一时刻蓄电池的损失电流
，再通过（3）式就可以确定蓄
电池任一时刻的荷电状态了。
§2．4光伏系统的系统配置与计算
存设计光伏系统时，太阳能电池的功率和蓄电池的容量是需要确定的两个重
要的参数。
确定这两个参数的总的原则是：
在保证满足负载供电需要的前提下，
使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量将少成本。
按照这个原则，首先得了解负载需求。
如果是有规律性的负载，只要知道负载的
平均功率和每周期工作的时间，如果是随机负载，
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