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常见问题
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太阳能电池板介绍

众所周知,太阳能电池板主要作用是吸收太阳光发生伏打效应进而产生电压电流,可通过控制器给蓄电池充电。

每个电池板都有一个标称功率,该标称功率均是在标准环境温度条件下(STC,即在大气质量为1.5环境温度为25℃,光幅射强度为1000W/m2),电池板工作电压在最大功率点电压时所产生的功率。

以图1某品牌的电池板规格书为例,

该电池板所对应的V-I曲线如下图:

结合上表和上图,可以看出电池板有几个基本的参数,分别为额定功率(Pmax),效率(η),开路电压(Voc),短路电流(Isc),最大功率点电压(Vmpp),最大功率点电流(Impp)。其定义分别如下:

额定功率(Pmax):表示电池板在标准环境温度下时,最大功率点电压所产生的功率;

效率(η):表示电池板内部的硅片的光电转换效率,如16.5%的效率表示每平方米该硅片可以产生165W的电能;

开路电压(Voc):表示电池板在标准环境温度下时,电池板开路时正负极两端的电压;

短路电流(Isc):表示电池板在标准环境温度下时,电池板正负极之间短路所产生的短路电流;

最大功率点电压(Vmpp):表示电池板在标准环境温度下时,电池板最大功率点时的工作电压;

最大功率点电流(Impp):表示电池板在标准环境温度下时,电池板工作电压在最大功率点时所对应的工作电流。

太阳能电池板主要特性

如上图所说,规格书中的参数均是在标准环境温度下时测试的数值,但是在实际应用过程中,大部分环境是达不到标准环境的,这种情况下电池板是如何体现的,具体如下:

A、光照强度特性

如下图所示,下图为不同光照强度下,电池板所对应的不同的V-I曲线,当光照强度200W/m2到1000 W/m2变化时,可以对应的认为是从早上到中午的时间变化。

从图中可以看出,当光照强度变化时,电池板的开路电压(横轴)基本不会变化,但是短路电流(纵轴)会随着光照强度有明显的变化,短路电流的变化会影响总发电功率的变化。

因此,可以认为,在白天只要没有发生日全食的情况下,电池板是始终都会有一个较高的开路电压,但是发电功率会受日照强度的影响有所不同。

B、温度特性

如下图所示,下图为不同温度下电池板的V-I曲线的变化情况,从图中可以看出当环境温度越低时(T4最低)电池板的开路电压越高,短路电流有小幅上升的变化;当环境温度越高时(T1最高),开路电压越低,短路电流有小幅下降的变化。

正常情况下,电池板开路电压的温度变化系数为-3‰左右(25℃为基准),以该规格书为例,如果当前温度为-20℃时,开路电压应为46-46V*(45℃*-3‰),即52.21V。

在实际应用过程中,温度的变化决定了开路电压的变化,开路电压的变化决定了MPPT控制器的选型。例如:

以Tracer4215BN控制器为例,其允许的电池板最大开路电压为150V。选用上述电池板3片串联使用,如果使用地点的环境温度可能低于-20℃时,其开路电压会上升为156.63V(52.21*3),超过控制器的极限值,会损坏控制器。如果使用地点是非洲或者高温环境下时,开路电压则会低于138V,就可以正常使用。

平均峰值日照时间

峰值日照时间指的是太阳辐射达到1000W/m2的时间,但是从日出到日落时间比较长,且每个时间段的太阳辐射强度也不一样,大多数地区辐射达到1000 W/m2的只有1-2个小时。因此在光伏系统应用中,平均峰值日照时间指的是其根据白天获得的总辐射量平均为1000W/m2之后的时间,如下图所示。

其他知识小技巧

A、如果控制器的负载控制模式是光控模式,在阴天情况下,负载也不会被打开,因为阴天时电池板的开路电压依然很高的。

B、根据电池板功率和效率,就可以估算出电池的面积。只需要用功率和效率相除就是电池板的大概面积,比如上例的电池板的面积大约为320W/165=1.94m2。

PWM充电特性

目前市场上主流的太阳能控制器有两种充电方式,分别为PWM太阳能控制器和MPPT太阳能控制器。PWM为脉宽调制型充电方式,MPPT为最大功率点充电方式。

充电原理

PWM充电方式,可以理解为在光电池和蓄电池之间的回路上串联电子开关(MOSFET),通过微处理器产生PWM波形来控制器电子开关的导通和关闭,从而实现控制光电池到蓄电池的平均充电电流,达到蓄电池充电的平均充电电压。其充电原理图如下图:

产生的PWM波形如下:

充电过程中,由于蓄电池类似于一个巨大蓄水池,但是电池板功率有限,所以当MOSFET导通时,相当于电池板与蓄电池直接连接,电池板的电压会被蓄电池电压拉低到与蓄电池电压临近的点,略高于蓄电池电压(0.1V左右),以实现充电功能。当MOSFET关闭时,相当于电池板和蓄电池之间处于断开状态,电池板无法给蓄电池充电。大部分情况下,PWM控制器的充电频率会在25Hz到100Hz之间,以50Hz常见为主。