离网太阳能系统设计中的电源电子解决方案分析

光伏太阳能安装成本的迅速下降使此技术逐渐成为支持离网应用的实际解决方案。美国国家可再生能源实验室(NREL)在2010年计算的太阳能系统安装成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系统定价正向每千瓦时15.50美元发展。这是整个系统的定价，包括太阳能电池、能量存储设备以及充电器和逆变器电源电子装置。

从便携式公路施工标志和闪光指示灯，到偏远的泵站和通信网络，离网应用看起来有无尽的机遇。成本过高正是此类项目实施的主要障碍，而不断降低的价格正逐步打破这样的屏障，使项目的实施变得切实可行。

本文将着重介绍电源电子系统，以及在设计离网太阳能系统时需要牢记的一些关键机遇和权衡利弊。在解决大多数系统级问题时，最简单的方式通常是从最终应用要求开始，然后回过头来确定和定义整个系统，并确定系统的规模。

负载

负载几乎可以是任何设备，但离网应用之所以离网是有原因的。应用可能需要是便携式的，如施工信息标志或简单的危险报警闪光灯。考虑到其便携性，将每个负载都接入电网明显不可行。或者，也许应用位于偏远地点，如蜂窝通信塔或偏远泵站。

我们首先应该确定在开发离网太阳能解决方案时需要考虑的一些关键因素。图1给出了高阶系统框图。使用能量平衡方法时，关键是了解负载，包括其类型和随时间表现出的特性。

图1：高阶系统框图

首先要确定负载类型和所有特殊要求。是恒定负载还是可变负载?是仅在白天使用还是仅在夜晚使用?是间断使用还是持续使用?了解负载类型及其特性有助于确定系统的实现方案。例如，施工危险报警闪光器通常是恒定脉动负载，可能仅需要在夜晚使用。因此，我们应该在白天对这些负载充电并确定电池的容量，然后在夜晚运行这些负载。信息标志可能是脉动负载，但在白天和夜晚都需要运行。在这种情况下，系统需要确定为在白天支持恒定负载运行，同时对电池组充电以支持整晚连续运行。同样，泵负载需要日夜工作，而且不一定是恒定负载。这里，系统需要能应对最坏情况，或者需要备用系统来解决最坏情况。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常适合离网太阳能应用，因为下雨时没有多少阳光可对电池充电。很明显，能采用的负载类型几乎无穷无尽，图2仅列举了上面讨论过的一些负载类型。

图2：常见负载类型

在给定幅值和频率以及工作特性的情况下，关键是了解平均日负载。当充分了解负载和工作条件之后，指定能量存储要求就变得简单直接了。

确定能量存储的规模

由于太阳每天都升起和落下，我们可以通过简单的24小时能量平衡法来计算基本的能量存储要求。注意图3，图中标识了工作情况。很明显，确定能量存储的规模时必须支持图左侧的情况。

图3：工作状态

负载可能有明确的量，如若干个施工危险报警闪光灯，也可能有大量变化，如泵应用。处理变化的负载时，最好考虑以下两种情况。第一种情况是“正常”情况，覆盖百分之95的工作情况。能量存储组件应该在白天充电，其容量应设定为足以在其余的夜晚时间驱动负载。第二种情况是最坏的正常工作情况，覆盖超过百分之95的情况(即，泵在黄昏开始工作，然后整夜满载运行)。

下面的公式通过将未进行充电的时间段内的每小时最大负载功率合并在一起，来捕获最坏情况的能量存储要求。

还有更坏的情况，即在负载需要工作且无太阳光时，电池组尚未完全充电。考虑的重点是故障成本(即不闪光或不抽吸)。如果泵不抽吸，成本可能非常可观。最显而易见的解决办法是增加能量存储组件的容量。但是，总会有更坏的情况。在不容许出现故障或很少需要使用最大功率的情况下，安装一个备用系统(如柴油发电机)并将系统其余部分的规模调整为仅适用于正常情况是最合理的。

图3的左侧用于确定能量存储要求，图3的右侧用于确定太阳能阵列的规模。

确定太阳能阵列的规模

更好地了解负载要求后，我们可以确定太阳能阵列的规模。根据图3，太阳能阵列的规模必须设定为在规定的充电时间内使充电量满足能量存储要求，同时在该时间段内支持平均负载输出。下面的公式标识了此高阶关系。

太阳能阵列输出功率 = 能量存储容量/充电时间+平均负载功率

我们可以通过简化的能量平衡方法估算能量存储和太阳能阵列组件的尺寸。但是，要对估算值进行精确的调整，还需了解一些内在和外在因素。从外部因素角度来看，最重要的因素之一是离网应用的地点，尤其是纬度。仅凭这一点就可以预计太阳照射峰值量及其在一年中的变化。例如，仅凭应用地点相对于太阳的位置就可以预计太阳照射量在冬季最少，在夏季最多。还有其它外部因素(包括云层覆盖和环境