光伏储能系统简介

光伏储能系统基本工作原理：

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

（一）太阳能电池板:

太阳能板目前主流分为单晶和多晶技术，原多晶硅太阳能板光电转换效率虽稍低，但成本低运用比较多。但目前单晶太阳板大大降低了制造成本，因此单晶太阳板成为了主流，大概占总出货量的98%。继单晶取代多晶后,光伏行业又一次走到技术变革的路口。HJT异质结电池,全称为“晶体硅异质结太阳能电池”，HJT单晶硅太阳能的光电转换效率目前可高达28%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，单晶硅的目前主流代表技术为隆基绿能、通威的P型TOPCon、N型HJT电池、P型HJT电池，现中国对太阳能板领域已12次刷新电池转换效率世界纪录。

太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电MPPT控制器、逆变器和蓄电池共同组成；为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源，就要根据用电器的功率，合理选择的部件。下面以1000W负载功率，每天使用4.5个小时为例，介绍一下电池板计算方法：

1、首先应计算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：若逆变器的转换效率为90%，则当电器功率为1000W时，则逆变器需要输出功率应为1000W/90%=1111W；若每天使用4.5小时，则输出功率为1111W*4.5小时=5000Wh。  

2、太阳能电池板功率：按每日有效日照时间为5小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为5000Wh/5h/70%=1200W。其中70%是充电过程中太阳能电池板的实际效率，算出的功率就是所需配套的太阳能电池板功率。

3、2021年开始，太阳能组件尺寸以2平米以上为主（薄、大趋势），2.556平米得光伏板峰值功率550瓦左右。计算得到每平米功率约200多瓦。也就是1平方光伏板是200多瓦左右，100平米光伏板20KW以上。随着单晶双面电池板技术的不断迭代更新，每平方光伏板输出功率会来越高。

（二）充电MPPT控制器：

MPPT，即Maximum Power Point Tracking的简称，中文为“最大功率点跟踪”控制器。在一样的光照条件下，光伏组件在不同的工作电压会有不同的输出电流。当光伏组件在某个特定电压工作时，该特定电压与输出电流的乘积（即功率）达到最大值，这个工作点就是最大功率点，也是光伏组件发电效率最高的时候。

通常情况下，光伏发电功率会被多种因素影响，比如日照越强，光伏组件输出功率越大；又如光伏电池温度越高，光伏组件输出功率越小。因此，在不同环境中，光伏组件的最大功率点会随着实际情况随时在变化。MPPT相当于光伏组件的大脑，是一个自动寻优的过程，能够实时侦测光伏组件的发电电压，并追踪最高电压电流值，使光伏电站能在不同的日照和温度环境下跟踪最大功率点，使系统输出最大功率而节省光伏成本。如下图，绿色阴影部分为MPPT跟踪后增加的充电功率。

（三）蓄电池：

电池（Battery）指盛有电解质溶液或金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分，电池的性能参数主要有电动势、容量、体积比能量和电阻。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流。当电池使用一段时间后电压下降时，可以给他通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。

1、蓄电池的分类：

电池储能大功率场合一般采用铅酸蓄电池，主要用于应急电源UPS、电瓶车、电厂富余能量的储存，家用储能小功率场合采用可反复充电的干电池：如镍氢电池，锂离子电池等。下面我们就来看看储能电池目前主流是哪些，分别有什么优缺点，不同的储能电池发挥的作用，下表可以供大家参考和选择。

	铅酸电	三元锂	磷酸铁锂
单芯输出电压（V）	2	3.6	3.2
充电截止电压（V)	2.7-2.8V	4.2~4.3V	3.6~3.65V
能量密度（Wh/Kg）	30~40	110~180	80~120
体积比能量（Wh/L）	80	300	260
充放电循环寿命（次）	300~400	800	>2000
放电率（%/m）	7~8	6~9	1.5~3
快充能力	坏	好	好
抗过充能力	好	坏	坏
安全性	腐蚀性强	坏	好
记忆效应	有	没有	没有

2、BMS简介：

从上表可以看出锂电池抗过充能力较差，成本也比较贵，故对锂电池安全性能要求较高，所以所有的锂电池组都有保护板，这个保护板即为电池管理系统BMS（Battery Management System），BMS就好似电池的脑部，能够实时收发电池和外部每个端口的信息,深入分析和加工处理信息后,并传出执行工作命令。

电池管理系统系统(BMS)的主要功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的电池容量(SOC)和相应的剩余容量，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。

如下图所示:保护板可以看作是两个背对背并联的二极管，可以单独或同时断开输入和输出。

过充：当锂电池电压超过保护板过压保护电压时，BMS板断开充电输入，在电池电压降低时恢复充电输入；

过放：当锂电池在电压过低时断开电池输出，但可以继续充电，并在电压恢复时打开输出。

过热、温度低:电池过热时BMS保护板断开输入输出，温度过低时断开充放电保护锂电池。

 

3、电池容量AH：

电池的容量表示电池储存的电能量多少，它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量，即电池的容量，通常以安培*小时为单位（以AH表示），比如：“20AH”是电池容量，“A”是电流（安），“H”是1小时，电池容量如果按20安的电流放电，可以用一小时；如按1安的电流放电，可以放电使用20小时。

 

1. 平常我们说的“48V”是电池组的标称电压,新电池的电压略比标称电压高5%—10%左右。

2. 电芯串联升高电压，并联才提升电组池容量；

3. 蓄电池容量换算WH（KWH 或“度电”）：

蓄电池容量AH×电压V=瓦时（WH）

 

1000WH = 1KWH = 1度电

 

譬如我们公司2500W家储使用的电池PACK规格为：

48V/52AH电池PACK换算 = 48V×52AH=2496Wh≈2.5KWh =2.5度电

60V/100AH电池PACK换算 = 60V×100AH=6000Wh= 6 KWh= 6  度电

 

举例电池选型：蓄电池容量AH×电压48V= 逆变器功率输出功率P×(10～12H)，例如带500W电器工作10小时所需蓄电池容量=500W×10H/48V ×2(电池容量利用系数)=208Ah≈200Ah，该电池容量换算成WH即为：200Ah*48V=9600WH=9.6KWH≈10度电 （1KWH=1度电）

 

4、电池放电速率：

电池额定容量为C，平常所说2C,1C,0.5C,0.2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。电池容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。对于容量为24AH电池来说，2C放电电流为2*24（电池容量）=48A，放电时长只能0.5小时 ；0.5C放电电流为24AH×0.5=12A，可放电2小时。

一般来说，锂电池的放电速率超过原来规定的放电速率，会影响电池的寿命，极端情况下会造成电池损坏的危险。一般根据不同的电池类型或电池使用要求，放电率为0.5C、1C、2C、5C、10C等，放电速度越快电池容量衰减会越快，使用寿命也更短。

（四）光伏并网逆变器工作原理

太阳电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后，直接进入公共电网，光伏电池方阵所产生的电力除了供给自用的交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者电能不能满足负载需求时，就由电网供电。由于太阳能发电直接供入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了能量的损耗，并降低了系统的成本。

 

当然，单独运行的前提是太阳能电池阵列在当时能够提供足够的功率。若负载太大或日照条件较差，则逆变器无法输出足够的功率，太阳能电池阵列的输出电压即会下降，从而使输出交流电压降低而进入低压保护状态。

 

光伏并网逆变器的作用

逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。归纳起来有自动运行和停机功能、最大功率跟踪控制功能、防孤岛运行功能、自动电压调整功能、电流检测功能等。

 

1、自动运行和停机功能

早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机。

 

2、最大功率跟踪控制功能

太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。

 

3、电网检测及并网功能

并网逆变器在并网发电之前，需要从电网上取电，检测电网送电的电压、频率、相序等等参数，然后调整自身发电的参数，与电网电参数同步一致，完成之后才会并网发电。

 

4、零（低）电压穿越功能

当电力系统事故或扰动，引起光伏发电站并网点电压出现电压暂降，在一定的电压跌落范围内和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。

 

5、孤岛效应的检测及控制

在正常发电时，光伏并网发电系统连接在大电网上，向电网输送有功功率，但是，当公用电网断电时，电网侧相当于短路状态，此时并网运行的逆变器将由于过载而自动保护。当MCU检测到过载时，除封锁SPWM信号外，还将断开与电网连接的断路器。逆变器出现孤岛效应时，会对人身安全，电网运行，逆变器本身造成极大的安全隐患，因此逆变器入网标准规定，光伏并网逆变器必须有孤岛效应的检测及控制功能。

 

6、防逆流控制：

在电力系统中，一般都是由配电变压器向电网内各负载送电，称为正向电流。安装光伏电站后，当光伏系统功率大于自用负载的功率时，消纳不完的电力要送入电网，由于电流方向和常规电网电流相反，即称为“逆流”。正常光伏发电系统是将光伏组件直流电转变成交流电并入电网；带防逆流的光伏系统是光伏发的电仅供给本地负载使用，防止光伏系统发出的电送入电网。电流互感器采样电网中的电流信号送给逆变器，结合逆变器原有的电网电压采样(幅值和相位)判断和计算出光伏发电系统当前的功率大小和流向再做出具体的调整措施，做到对光伏发电系统的当前输出功率进行实时调节。由于调节是实时的，故可以保证光伏发电系统的电能不馈入公共电网的同时实现最大可能的自发自用，不浪费光伏发电系统的电能。