原理

太陽(yáng)能陰極保護(hù)供電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池陣列、充放電控制器、蓄電池組、恒電位儀、陰極保護(hù)體系等組成。如圖1所示。

白天有陽(yáng)光時(shí)，光電池將吸收的陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，給蓄電池組充電，并給恒電位儀供電。夜晚無(wú)陽(yáng)光時(shí)，由蓄電池組給恒電位儀供電。恒電位儀能自動(dòng)調(diào)節(jié)管線對(duì)地的電流，達(dá)到自動(dòng)恒定電位的目的，可使在一定距離內(nèi)管線電位達(dá)到起保護(hù)作用的電位。當(dāng)金屬管道的保護(hù)層完好無(wú)損即未被腐蝕時(shí)，僅從電源取很小的電流，而當(dāng)管線有腐蝕發(fā)生時(shí)，為保持電位的恒定，就需要更多的功率。

陰極保護(hù)

金屬防腐有很多措施，普遍采取的有效方法是陰極保護(hù)法。當(dāng)金屬達(dá)到平衡電位后，再施加陰極電流，金屬的電極電位從原平衡電位向負(fù)偏移，使金屬進(jìn)入免蝕區(qū)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。把被保護(hù)金屬變成陰極的防止金屬腐蝕的方法叫陰極保護(hù)。

陰極保護(hù)有兩種：

一種是犧牲陽(yáng)極法，指在要保護(hù)的金屬構(gòu)件上連接上一種電極電位較負(fù)（較活潑）的金屬或合金作為防腐蝕電極陽(yáng)極。根據(jù)電池原理，電子從陽(yáng)極流向陰極，發(fā)生陰極極化，從而使金屬鋼鐵得到保護(hù)。

另外一種外加電流的方法，這種方法是利用外加電流電源，將保護(hù)的金屬管與電源負(fù)極連接，使金屬管變成陰極而進(jìn)行陰極極化，以減小或防止金屬腐蝕。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)石油和天然氣輸送管道均是在外加保護(hù)層的前提下實(shí)施電化學(xué)保護(hù)，而比較成功的辦法是外加直流電流陰極保護(hù)法。

陰極保護(hù)應(yīng)用條件如下：

① 保護(hù)金屬的介質(zhì)必須是能導(dǎo)電的，以便能建立起連續(xù)的電路。

② 保護(hù)金屬材料在所處的介質(zhì)中要容易進(jìn)行陰極極化，否則耗電量大，不宜采用陰極保護(hù)。

③ 對(duì)于復(fù)雜的金屬設(shè)備或構(gòu)物，要考慮其幾何上的“屏蔽作用”，防止保護(hù)電流的不均勻性。

④ “沒(méi)有電絕緣，就沒(méi)有陰極保護(hù)”。電絕緣是陰極保護(hù)必不可少的條件，為了降低保護(hù)電流密度要釆用覆蓋層絕緣。

⑤ 被保護(hù)金屬系統(tǒng)間的電連續(xù)性是陰極保護(hù)的一個(gè)條件，即確保電流的暢通。

控制器

控制器的主要功能是防止太陽(yáng)能電池方陣對(duì)蓄電池組過(guò)充電或防止蓄電池組對(duì)負(fù)載過(guò)放電，同時(shí)保證對(duì)太陽(yáng)能電池陣列起到極大功率點(diǎn)控制的作用。對(duì)鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)充電到單體電池平均電壓2.38?2.42V時(shí)起停止充電或涓流充電，蓄電池組放電時(shí)，根據(jù)不同的放電率放電到單體電池平均電壓U=L8?2.0V控制停止放電，以保護(hù)蓄電池。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，必須設(shè)置控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換裝置，并起到如下的作用

① 當(dāng)蓄電池組過(guò)充或過(guò)放時(shí)，可以報(bào)警或自動(dòng)切斷電路，保護(hù)蓄電池組。

② 接需要設(shè)置高精度的恒壓或恒流裝置。

③ 當(dāng)蓄電池組有故障時(shí)，可以自動(dòng)切換接通備用蓄電池組，以保證負(fù)載正常用電。

④ 當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，可以自動(dòng)斷開(kāi)。

可持續(xù)大功率跟蹤點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)釆用CVT(恒定電壓跟蹤法)的可持續(xù)大功率點(diǎn)控制，此方法相對(duì)簡(jiǎn)單有效。

圖2 太陽(yáng)能電池的伏安特性及其工作點(diǎn)

在不同的日照強(qiáng)度下它與負(fù)載特性L的交點(diǎn)如a、b、c、d、e為系統(tǒng)當(dāng)前的工作點(diǎn)?？梢钥闯?，這些工作點(diǎn)并不正好落在陣列可能提供的極大功率點(diǎn)a’、b’、c’、d’、e’，這就不能充分利用當(dāng)前條件下陣列所能提供的極大功率，被浪費(fèi)的陣列能量如圖2陰影所示的面積。人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度保持在某一固定值時(shí)，a’、b’、c’、d'、e’這些點(diǎn)幾乎落在同一根垂直線的鄰近兩側(cè)，這就有可能把極大功率點(diǎn)的軌跡線近似地看成電壓U=Const的一根垂直線，亦即只要保持陣列的輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下相對(duì)應(yīng)的極大功率點(diǎn)的電壓,就可以大致保持陣列輸出在該溫度下的極大功率，把極大功率跟蹤器簡(jiǎn)化為一個(gè)穩(wěn)壓器,因此稱(chēng)為恒定電壓跟蹤法。

充放電控制設(shè)計(jì)

根據(jù)蓄電池充放電的性質(zhì)，可以將蓄電池的過(guò)充點(diǎn)和過(guò)放點(diǎn)分別設(shè)為2個(gè)閾值電壓點(diǎn)，充放電過(guò)程中不停地檢測(cè)蓄電池的電壓，當(dāng)蓄電池輸出電壓低于過(guò)放電點(diǎn)時(shí)就切斷蓄電池與負(fù)載的連接停止放電；當(dāng)蓄電池的電壓高于過(guò)充點(diǎn)時(shí)就切斷蓄電池與太陽(yáng)能電池的連接，停止充電。軟件流程圖如下：

注：流程圖中標(biāo)示變量FlagL和FlagH分別標(biāo)示蓄電池的電壓過(guò)低和過(guò)高，初始化包括各寄存器的初始化以及Flagl>0和FlagH=OoUsun>Uxu表示太陽(yáng)能電池電壓高于蓄電池電壓。為了穩(wěn)定充放電保護(hù)負(fù)載，程序設(shè)定由過(guò)充或過(guò)放時(shí)到正?？梢怨ぷ鲿r(shí)持續(xù)一分鐘后(確保此正常電路并非短暫瞬間的正常)再正常放電或充電。

保護(hù)措施

包括短路過(guò)載保護(hù)、防反沖保護(hù)及對(duì)蓄電池組的溫度補(bǔ)償。

蓄電池組

在獨(dú)立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不可能一直滿足用電負(fù)載的需求，所以通常需要儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。太陽(yáng)能電池方陣只有在光照射工作，有功率輸出，到晚上或陰雨天由于沒(méi)有光線而不能輸出功率，平時(shí)將太陽(yáng)能電池方陣有光時(shí)發(fā)的電能儲(chǔ)存起來(lái)，供晩上或雨天無(wú)光照時(shí)應(yīng)用，所以太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)要裝備儲(chǔ)能蓄電池組,太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能蓄電池組，有幾個(gè)作用：一是儲(chǔ)能，為后續(xù)負(fù)載提供持續(xù)的電能；二是鉗位，當(dāng)把太陽(yáng)電池組件直接連接負(fù)載時(shí)，由于太陽(yáng)電池的工作特性受太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、溫度等影響很大，使負(fù)載常常不能一直工作在理想工作點(diǎn)附近，系統(tǒng)效率很低，而蓄電池組對(duì)太陽(yáng)電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證系統(tǒng)工作在理想工作點(diǎn)附近。國(guó)外有專(zhuān)為太陽(yáng)能光伏發(fā)電儲(chǔ)蓄所用的蓄電池組，禰為“太陽(yáng)能蓄電池組”。

目前中國(guó)使用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池組有少量用于高寒戶(hù)外系統(tǒng)釆用竦鎘電池，大多數(shù)是鉛酸蓄電池。在小型的太陽(yáng)能草坪燈和便攜式太陽(yáng)能供電系統(tǒng)使用鐐鎘或鐐氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對(duì)充放電控制要求較高的原因，目前在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中應(yīng)用還很少。

本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池組，具有耐低倍率充放電性能好，耐氣候性好，價(jià)格低，壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。