1、便攜式供電系統的組成

　　除了持續提供電力的太陽能組件外，供電系統其余的主要部件分別為：太陽能充電控制器，蓄電池，逆變器，箱體與結構件。

　　（1）太陽能電池組件：太陽能電池組件是太陽能供電系統中的核心部分，也是太陽能供電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能量轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池組件的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。

　　（2）太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。

　　（3）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池組件所供出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

　　（4）逆變器：太陽能電池產生的電流為直流電，充入蓄電池內存儲。逆變器則將直流電轉換為220V交流電，以供各種負載使用。特別說明的是，一般情況下逆變器必須連接蓄電池而使用，若直接連接太陽能電池，將由于日照環境的不穩定而無法正常工作。

　　（5）箱體與其他結構件：主要為以上設備的放置場所，根據產品的不同，箱體大小不同。同時，根據產品功能的差異，可能存在直流輸出，多孔排插等不同的結構件。

　　2、太陽能充電控制器

　　太陽能充電控制器實際上是太陽能與蓄電池的管家，在無逆變系統中，他可以直接接入直流負載。

　　其最大的作用是能根據蓄電池電壓高低，調節充電電流大小，并決定是否向負載供電，實現以下目標：1．經常保持蓄電池處在飽滿狀態。2．防止蓄電池過度充電。3．防止蓄電池過度放電。4．防止夜間蓄電池向太陽能板反向充電。

　　3、蓄電池

　　應該說國內外大多數太陽能電池廠家的產品已相當成熟。這些產品的光電轉換效率、成本和銷售價格以及使用壽命，一般都能滿足光伏系統設計的需要。而正確地選用作為儲能裝置的蓄電池，對于太陽能供電系統的設計非常重要，因為蓄電池在太陽能供電系統應用中，很難達到預期壽命的事例司空見慣。

　　3.1 常用的蓄電池介紹

　　在獨立太陽能太陽能供電系統中，蓄電池是僅次于太陽電池組件的重要組成部分，也是對系統性能可靠性影響最大的部分。在光伏系統的壽命期內，若考慮蓄電池更換成本，與太陽電池組件相差不大。發展新的儲能技術和先進的控制技術，是降低太陽能供電系統成本的重要途徑。目前還沒有一種蓄電池適合所有的太陽能供電系統，也有許多因素影響蓄電池的選擇和性能。常用的蓄電池有：鉛酸蓄電池、堿性蓄電池（鎳鎘/鎳氫蓄電池、鋰電池）、磷酸鐵鋰電池燈。而太陽能太陽能供電系統對蓄電池的要求是：價格低、充放電效率高、自放電低、壽命長、耐候性好和維護少。考慮到高的性價比和可靠性，在幾種可作為太陽能供電系統選擇配套對象的蓄電池體系中，磷酸鐵鋰電池價格太高，且單體大容量技術并未完全成熟，且存在一些安全性問題；鋰電池雖然輕巧，經濟性適中，但是其耐候性較差，特別是在寒冷地帶，放電深度嚴重降低。鎳氫電池和鎳鎘電池價格較高，并有一定的記憶效應，不利于容量恢復。在小容量的場合，比如草坪燈等，鎳鎘/鎳氫電池和鋰離子電池以其體積小、容量大而廣泛應用；鉛酸蓄電池價格低、單體電壓高、性能穩定，成為大容量太陽能供電系統的路燈的配套蓄電池的首選，特別是膠體鉛酸電池，其特性上更符合戶外使用的獨立太陽能供電系統的需要。

　　3.2 膠體鉛酸電池的特點

　　膠體鉛酸電池采用膠體電解質新技術，在很多方面彌補了普通鉛酸電池的缺陷和不足，對于未來的鉛酸電池市場有著舉足輕重的作用。從原理上來講，膠體鉛酸電池仍然是鉛酸電池，只是為了達到將電池密封的目的和使用性能，而采用了與普通密封鉛酸電池不同電解質的技術。膠體電池一樣可以使用脈沖式充電，但是要針對電池進行調整，畢竟膠體鉛酸電池與常規鉛酸電池又有很大的區別，它不僅僅表現在電解液改為膠凝狀，還表現在其放電曲線平直、拐點高；質能比，特別是功效比，要比常規鉛酸電池大20%以上；壽命（一般能達到10-15年）也比常規鉛酸電池長一倍左右；高溫及低溫特性也好得多。膠體鉛酸電池是目前世界上各項性能最優越的閥控式鉛酸蓄電池。

　　膠體鉛酸電池的充電、放電、溫度特性曲線如圖4-3、4-4、4-5所示。

　　圖4-3充電電壓與環境溫度的關系

　　（1）充電特性：如圖4-3。太陽能供電系統中蓄電池為循環使用和浮充狀態，充電電壓隨環境溫度的變化情況。充電電池額定電壓為2.275V/cell（25℃），當環境溫度低于5℃或高于35℃時，需依溫度補償系數調整充電電壓，溫度系數為-3.3mV/℃cell。最初充電電流應在0.3CA或更少（C表公稱容量，A表安培）。建議在5℃~35℃環境溫度下充電，以防止影響其正常壽命。溫度補償同樣適宜于蓄電池的放電。

　　圖4-4電池循環壽命與放電深度對照表

　　（2）放電特性：如圖4-4。太陽能供電系統一般為20%以下的淺放電，在連續陰雨天時可能達到80%的深度放電。膠體鉛酸電池在淺放電上循環壽命次數達普通鉛酸電池的2倍左右，理論上可以運行5~6年不更換。而鉛酸電池的太陽能供電系統一般2~3年就需要換蓄電池。

　　圖4-5電池容量與環境溫度的關系

　　（3）如圖4-5所示，可看出溫度對蓄電池的容量影響非常大，所以充放電時需要考慮溫度補償。太陽能供電系統中，一般是將蓄電池埋入地下，以使電池的操作溫度近于恒溫，防凍防曬的同時，可以有效保證電池的使用可靠性。但是電池的更換就顯得比較麻煩，而且大的電池組是需要專門的吊裝設備。普通密封鉛酸電池進行地下安裝也可以延長使用壽命，但是在太陽能領域，電池的故障率非常高，更換問題非常突出；相反膠體電池循環壽命是普通電池的三倍，而且自放電小、可以長期處于浮充電狀態運行，可靠性好，所以將電池埋入地下的安裝方式，在歐美也是通用做法。德國和美國的路燈就是使用膠體電池埋地安裝。

　　3.3 蓄電池放電深度

　　蓄電池壽命與放電深度有很大關系。在一定范圍內，放電深度越大，蓄電池壽命越短。但在系統設計時，并取得越小越好，因為越小，蓄電池不能放出的儲備容量越多，則不但造成電能浪費，還要增加系統成本。對鉛蓄電池，一般取=60%~70%為好。

　　4、逆變器

　　簡單地說，逆變器就是一種將低壓(12或24伏或48伏)直流電轉變為220伏交流電的電子設備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。

　　逆變器能把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220V,50Hz正弦波）。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等。在國外因汽車的普及率較高外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動電器及各種工具工作。通過點煙器輸出的車載逆變是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 到 150W 功率規格。再大一些功率逆變電源要通過連接線接到電瓶上。把家用電器連接到電源轉換器的輸出端就能在汽車內使用各種電器。可使用的電器有：手機、筆記本電腦、數碼攝像機、照像機、照明燈、電動剃須刀、CD 機、游戲機、掌上電腦、電動工具、車載冰箱及各種旅游、野營、醫療急救電器等。目前在太陽能領域，逆變器也得到充分應用。

　　逆變器主要按弦波分類，主要分兩類，一類是正弦波逆變器，另一類是方波逆變器。正弦波逆變器輸出的是同我們日常使用的電網一樣甚至更好的正弦波交流電，因為它不存在電網中的電磁污染。方波逆變器輸出的則是質量較差的方波交流電，其正向最大值到負向最大值幾乎在同時產生，這樣，對負載和逆變器本身造成劇烈的不穩定影響。同時，其負載能力差，僅為額定負載的40－60%，不能帶感性負載。如所帶的負載過大，方波電流中包含的三次諧波成分將使流入負載中的容性電流增大，嚴重時會損壞負載的電源濾波電容。針對上述缺點，出現了準正弦波（或稱改良正弦波、修正正弦波、模擬正弦波等等）逆變器，其輸出波形從正向最大值到負向最大值之間有一個時間間隔，使用效果有所改善，但準正弦波的波形仍然是由折線組成，屬于方波范疇，連續性不好。總括來說，正弦波逆變器提供高質量的交流電，能夠帶動任何種類的負載，但技術要求和成本均高。準正弦波逆變器可以滿足我們大部分的用電需求，效率高，噪音小，售價適中，因而成為市場中的主流產品。方波逆變器的制作采用簡易的多諧振蕩器，其技術屬于50年代的水平，將逐漸退出市場。

　　逆變器根據發電源的不同，還可以分為煤電逆變器，太陽能逆變器，風能逆變器，核能逆變器。根據用途不同，分為獨立控制逆變器，并網逆變器。世界上太陽能逆變器，歐美效率較高，歐洲標準是97.2%，但價格較為昂貴，國內其他的逆變器效率都在90%以下，但價格比進口要便宜很多。除了功率，波形以外，選擇逆變器的效率也非常重要，效率越高則在逆變器身上浪費的電能就少，用于電器的電能就更多，特別是當你使用小功率系統時這一點的重要性更明顯。

　　逆變器在工作時其本身也要消耗一部分電力，因此，它的輸入功率要大于它的輸出功率。逆變器的效率即是逆變器輸出功率與輸入功率之比，即逆變器效率為輸出功率比上輸入功率。如一臺逆變器輸入了100瓦的直流電，輸出了90瓦的交流電，那么，它的效率就是90%。

　　5、箱體

　　一般的便攜式太陽能供電系統，箱體應可容納包括太陽能電池組件在內的所有器件，并最好能一體化集成，所有的操作和接插均在面板完成。還應該具備一定的防水、防塵能力。

　　箱體閉合狀態

　　箱體展開狀態

　　論文作者

　　倪斌 廈門大學物理與機電工程學院（廈門漢青信息技術有限公司）

　　王亞軍 副教授 廈門大學物理與機電工程學院

　　賈迎春 陳艷玲 周珍富 郭捷

　　基金項目：1.福建省產學合作重大項目（2011H6025）、2.福建省科技重點項目（2012H0039）、3.福建省產學合作重大項目（2013H6024）。

　　導師簡介：王亞軍（1969-），男，浙江慈溪人，副教授，碩士研究生導師，主要從事新能源、半導體照明方面的研究。

　　作者簡介：倪斌（1982-），男，福建廈門人，碩士研究生，主要從事柔性太陽能電池方面的研究。