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适用小型太阳能光伏及风力涡轮发电机的能源储存系统

导读: 为了让太阳能光伏(PV)设备与风力涡轮系统,能够提供较自然条件许可下(不论是在黑暗中或是风速不足的状况)更长时间的输出电力,将所产生的能源藉由某些方法予以储存,以便在稍后需要使用时可以取得,是有必要性的。

  为了让太阳能光伏(PV)设备与风力涡轮系统,能够提供较自然条件许可下(不论是在黑暗中或是风速不足的状况)更长时间的输出电力,将所产生的能源藉由某些方法予以储存,以便在稍后需要使用时可以取得,是有必要性的。本文会着重在将所产生的能源,储存到锂离子电池单体组合当中,同时凸显ADI的产品能够在时间和温度的范围内,提供安全而有效率之系统运作。

 

  图1中所示为太阳能PV系统的概要方块图。此处所使用的储存部件与风力涡轮系统中所使用的是完全一样的。小型数组太阳能板的输出会被升压到一定位准,使得输出变频器较容易提供所需的ac输出位准。此升压转换器也可以在本地处理器控制之下支持MPPT功能。接续于输入升压电路之后的是一组V/I充电器电路,用来生成适当的充电电流,对锂离子电池单体数组进行充电。锂离子电池单体通常会以模块或是电池组的方式来分组,一组会包含有6~12个电池单体。这些模块会以串联方式固定在一起(建立电池串),以便产生出任何所需要的总体堆栈电压(overall stack voltage)。

 

  堆栈电压通常会被用来减轻dc对dc变频器的工作,例如产生110V ac的输出,如此总体堆栈电压大概要达到180V dc。快速浏览过各个生产厂商的技术文件后可以发现,厂商建议使用在小型UPS设备上的典型锂离子电池单体,一组4/5 D尺寸圆柱型单体的额定电压为3.7 V,而其典型容量为4.4 Ah。这样可以得出由48个单体组成串联电池串,也就是使用8个电池组,每个电池组是6个电池单体。每个电池串拥有780 Wh的容量。为了要增加电池组的能源储存容量,还会以并联方式增加额外的电池串。要组装出一组具有足够容量,能够提供一个家庭用户数个小时用电的电池堆栈,可能需要为数众多的电池串;例如26个并联的电池串能够提供20 KWh的总容量。假设电池堆栈中的可用电力为额定容量的80%,那么这将可以产生出接近16 KWh的可用容量。这样还不足以说明,也没有清楚说明如此高电压的电池堆栈,具有绝对的危险性,因此在任何时间都应该要遵守适当而且正确的程序。你在高电压堆栈上所犯的第一个错误恐怕就是你的最后一个了。请确保安全性永远都是排在第一顺位。

 

  20 KWh的容量需求可以转换为总数1,248个锂离子电池单体的数组。图1中所示为两个电池串。在这么多的电池串互相并联的情况下,必须要谨慎的采用一些手段将单一电池串与整个数组加以隔离。也许是使用某些类型的高电流继电器或者是接触器(contactor),以串联方式与每一个电池串连结,但是在图中并未将这些部件显示出来。每一个电池串都具有各自专用的监测电路,其与相邻的电池串是独立的。这样听起来似乎很浪费,但是为每一个电池串安排专属的监测部件可以使单一电池串(所需)的隔离较容易做,并且能够对电池串中的锂离子电池单体进行更为严密的监测。对锂离子电池过度充电,会造成本体的发热,进而导致全面性的发热,可能会造成温度失控,最终发生火灾。紧密的监测可以避免这种景况的发生。

 

  

 

  虽然电池技术的价格,正随着生产量的提升以及更多供货商的投入市场而降低,但是这种堆栈仍然是昂贵的。举例来说,当所有必要部件(像是连接器、扁平电缆、机构外壳、监测用电子装置等等)的价格加总之后,所得到的价钱介于750美元/kW ~ 1,000美元/kW之间,此价位还算合理。在本例中,堆栈的价格最低为15,000美元。这样的投资必须要很小心的加以监测,以确保其具有较长的使用寿命。

 

  再参照图1,高度特制化的电池单体监测器产品,像是AD7280以及AD8280,能够对电池串中的每一个锂离子电池单体提供完整的电压与温度监测能力,而在此同时,单一电池串的电流则是利用ADuC703X微控制器(Microcontroller)加以监测。除了具有电流与电压监测输入信道之外,每颗以ARM7为基础的微控制器也能够与其锂离子电池单体监测器的电池串进行通信,下载个别的电池单体数据,并执行电池单体平衡算法。主要的系统功能乃是由一颗Blackfin(BF50X)数字信号处理器(DSP)所控制,该部件使用iCouplers(ADuM140x)与各个系统方块进行通信,可让整个前端系统浮接,并且使后端与高电压做电气隔离,以策安全。

 

  当无需产生电力,同时也为了维护期间的安全性,必须要将电池堆栈与变频器断开,而这正是RL1、RL2、与RL33颗继电器或是接触器的功能。在变频器启动时,RL2会保持开启状态,而RL1与RL3则预设为关闭状态,透过R Limit电阻器限制冲击电流(in-rush current),并且在关闭RL2之前,以最终值百分之80或90的相对慢速,对变频器的电容进行充电。同样是为了安全上的理由,当接触器因为任意原因而开启时,切换到跨越变频器(简图中未显示)输入的放电路径是个好方法。这将可以确保变频器电容的电荷全部放尽,以避免任何的伤害。虽然变频器可能会因为要进行维护而从系统中移除,但是电容器仍然保有可以致命的电荷,这点有时候会被忽略掉。

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