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摘要：随着光伏储能技术在各领域的广泛应用，优化储能系统工作效率、延长储能电池使用寿命是离网系统的重要发展方向。本文报道一种基于铜铟镓硒薄膜太阳能电池、超级电容模组、高效的微电子智能控制系统，和高功率密度的磷酸铁锂电池的离网光伏储能系统。该系统充分利用了铜铟稼硒太阳能电池的弱光性，应用超级电容组来作为储能缓冲，有效地使用微型直流-直流电池充电控制器实现阻抗匹配，使太阳能超级电容锂电池储能系统的系统效率大幅度提高。该系统由于有效结合了超级电容的高功率密度和锂电池的高能量密度的优点，并利用了超级电容组来过滤太阳光的上下起伏，也大大延长了蓄电池的使用寿命。这类混合电源系统是离网光伏储能系统的未来重要发展方向。
关键词：离网系统；超级电容；铜铟镓硒太阳能电池
1. 引言
目前，市面上提高太阳能储能系统效率最有效的解决方法，是应用最大效率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）技术[2]。太阳能电池功率传输的效率和照到太阳能板上的日照量有关，也和负载的电子特性有关。当日照情形变化时，最大功率点追踪就是设法找到最大功率点，并使负载特性维持在这个功率点。可以设计电路来表示连接到太阳能电池上的任何负载，之后再转换电压、电流或是频率以配合其他系统。但对于小型离网太阳能发电系统，MPPT 系统由于本身需要消耗一定的能量，而且其效率也会随着太阳能光辐照的变化而变化，并不能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中。同时，大多数离网系统的寿命和可操作性严重的受限于现有的电化学电池模块。电化学电池有一些不理想的特性——它们的大小限制、有界的能量容量、充电的循环次数。此外，化学能转换具有非线性特性，导致电池的寿命依赖于负载的当前波动以及运行条件。超级电容提供了一种替代的和新兴的形式能源储存和运输[3]。其较电化学电池的优势包括（i）更高数量级的功率密度，（ii）近千倍的充电循环次数和（iii）极高的充放电效率。然而，超级电容的能量密度远远低于电化学电池；而且当它被一个更高的电压充电时，它们的泄漏也会呈指数级增加。
本文提出一种基于铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池和超级电容模组-高功率密度磷酸铁锂电池组成的离网光伏混合储能系统。该系统不仅充分利用了铜铟稼硒太阳能电池的弱光性和超级电容组的有效储能缓冲，而且采用了微型直流-直流电池充电控制器来实现系统阻抗匹配，从而使太阳能超级电容锂电池储能系统的系统效率大幅度提高。并且该系统还有效结合了超级电容的高功率密度和锂电池的高能量密度的优点，充分利用超级电容组来过滤太阳光的上下起伏，也大大延长了蓄电池的使用寿命，光伏离网系统设备的维护成本大大降低。
2. 系统结构
如图一所示，我们设计的基于新型铜铟稼硒太阳能电池的离网系统包括：
1）CIGS薄膜太阳能电池板；（2）超级电容模组；（3）微型智能充放电控制器；4）磷酸铁锂电池；和（5）直流负载。
2.1 CIGS薄膜太阳能电池
铜铟镓硒薄膜作为一种直接带隙半导体材料，禁带宽度可以在 1.04 eV～.65 eV间，能隙可通过镓掺入量进行调节，使铜铟镓硒太阳能电池具有最佳的光学能隙，弱光性能佳。同时铜铟镓硒薄膜材料对可见光的吸收系数也是太阳能电池中最高的，达到 105 cm-1，非常适合于电池结构的薄膜化[4-6]。CIGS薄膜太阳能电池不仅可以通过玻璃形成刚性组件，也可成为质量轻薄、可卷曲的柔性光伏组件。
2.2 超级电容器
超级电容器与电化学电池相比具有功率密度高、充放电性能好、高低温特性好、充放电效率高、循环充放电寿命长的优良特性。是电池和超级电容的比较，如表 1所示。在我们的设计中，我们通过超级电容的优化组合来实现所需要的单元电压和容量匹配。
2.3微型智能充放电控制器
同时，我们设计了特殊的智能充放电控制器来实现太阳能能量的传输和转换。该控制器包括：电流电压监控模块、智能选通模块、微控制器 MCU。微控制器 MCU不同的智能选通模块、电流电压监控模块连接，智能选通模块与电流电压监控模块连接，电流电压监控模块与负载连接，太阳能电池和超级电容均与智能选通模块连接。智能充放电控制器通过电流电压监控模块和智能选通模块控制超级电容充放电的电压阀值，让太阳能电池保持在峰值电压处，输出效率最佳。
3. 结果和讨论
该系统主要分为三个阶段：第一阶段，太阳能电池给超级电容充电；第二阶段，超级电容给磷酸铁锂电池和负载充电；第三阶段，负载用电。
在第一阶段，太阳能电池受阳光照射，因光电效应，产生电流。超级电容作为能量缓冲单元。由于超级电容的内阻较小，与太阳能电池并联后，在等效电路图上，相当于将太阳能电池短路，太阳能电池产生的电流优先被超级电容吸收。此外，CIGS 薄膜太阳能电池也因小电阻可有效的与超级电容相匹配，将不拉低太阳能电池端电压。相比 MPPT电路。超级电容可更有效的吸收 CIGS在弱光情况下（辐照较低的情况下）产生的微小电流，提高系统的发电有效时间。
此外，智能充放电控制器可通过控制超级电容放电电压阀值，让太阳能电池保持在峰值电压处，输出效率最佳。
在第二阶段，超级电容的电压与容量呈线性关系。在该系统中，当超级电容的容量积累到一定程度，即电压上升到某一值 V0（如 15V），太阳能电池电压与超级电容达到一个平衡的状态，在高频 CMOS 控制下，超级电容开始放电，锂电池开始充电，直至超级电容电压降低至最低阀值 V1（如 14V）。此时，锂铁电池的充电电流I2包括超级电容的放电电流 I1和同一时间太阳能电池的放电电流I0。通过智能充放电控制器，系统对磷酸铁锂电池的充电方式为 CCP-CVP模式。CCP-CVP的高效充电模式，是磷酸铁锂电池的最佳充电方式，可最大化提高电池的充电效率。包括超级电容模组的混合电源系统非常有效地降低了太阳能电池充放电时的电压波动范围。
在第三阶段，磷酸铁锂电池作为动力电池，功率密度高，可大电流充放电。在该系统中，负载启动瞬间，电流较大。因此在该瞬间，为保证负载的稳定运行，设计为锂铁电池给负载供电。假定将太阳能发电当作是一种状态，那么在 MPPT系统中太阳能板的发电作为一种被动形式。在含 MPPT控制器的系统中，系统需要先通过控制器程序的精密计算，获得太阳能电池的最佳峰值功率后，再控制太阳能电池板功率输出状态。常用的扰动观察法 MPPT控制电路在识别最大峰值功率输出时，能量损耗较大，电路板发热[3]。时间较长，则会影响 MPPT 控制器的寿命。上述形式可视为被动形式。此外，MPPT 控制电路在计算过程期间，若出现控制电路前端的电量无法满足后端需求的状态，控制电流将会产生瞬间电流，瞬间电流进入锂电池，将加速锂电池负极材料的降解，导致锂电池性能过早衰减和容量降低，从而影响锂电池的使用寿命。反之，本文中的超级电容则可视为主动形式。CIGS 薄膜太阳能电池产生电流，该电流直接超级电容吸收，充电效率高。当超级电容的电量存到一定程度，由后续的智能控制器调节，以高效的CCP-CVP充电模式给磷酸铁锂电池充电，电能质量更佳，提高锂电池的使用寿命。混合电源系统的系统电流输入和输出由通常的指数型规律变成充放电更加稳定和可控的恒流模式，不仅有效提高了充放电效率，而且增加了电池系统寿命[7-9]。
4. 结论
基于 CIGS 太阳能电池的混合电源系统，是一种高效节能、使用寿命较长的供电系统。超级电容可吸收微小电流、且寿命长，可作为中间缓冲储能部件，同时可减少充电电流的波动，提高锂电池的寿命。区别于传统的光伏离网系统，CIGS薄膜太阳能电池有效发电时间更长，混合电源系统的发电效率更高，同时还能延长储能设备的使用寿命，可大大降低设备的维护成本，这将对各行业太阳能储能系统的应用进一步推动。
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论文作者:杨成钢¹,初金良¹,王灿灿¹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/4
标签：太阳能电池论文; 电容论文; 系统论文; 电流论文; 锂电池论文; 电压论文; 控制器论文; 《电力设备》2017年第18期论文;