自誕生以來(lái)，電池（又名儲(chǔ)能系統(tǒng)）已用于光伏（PV）電力系統(tǒng)。大多數(shù)能源用戶(hù)都需要持續(xù)供電，當(dāng)然，光伏系統(tǒng)在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下不會(huì)提供電力。因此，即使是最初使用光伏電池和模塊的太空和地面應(yīng)用也與電池相結(jié)合，以向負(fù)載提供一致的能量傳輸。由于各種環(huán)境事件導(dǎo)致公用設(shè)施停電更加頻繁，電池在當(dāng)今的光伏系統(tǒng)中變得更加重要。

歷史的角度

光伏組件最初的一些地面用途是為住宅提供遠(yuǎn)程照明和抽水。這些早期（1970 年代）光伏模塊的功率范圍為 10 至 40 W（瓦），并以約 17 伏 (V) 直流 (DC) 產(chǎn)生電力，這是標(biāo)稱(chēng) 12 伏光伏模塊的峰值功率點(diǎn)電壓。這些光伏組件通常有 36 個(gè)電池串聯(lián)，但有些只有 30 個(gè)電池串聯(lián)。這些早期應(yīng)用使用 12 V 汽車(chē)電池（富液式鉛酸型 — 參見(jiàn)照片 1）或 12 V 深循環(huán)船用電池以及 12 V 汽車(chē)燈泡和 12 V 直流水泵。非常早期的繼電器型充電控制器通過(guò)監(jiān)控電池電壓并根據(jù)需要將光伏系統(tǒng)連接到電池來(lái)管理電池的充電狀態(tài)，以保持電池充電但不會(huì)過(guò)度充電。還使用繼電器再次監(jiān)控電池電壓，以便在電池放電過(guò)深時(shí)提供負(fù)載的低壓斷開(kāi)。那些早期的光伏組件相當(dāng)昂貴，價(jià)格在每瓦 25 美元甚至更高。到 20 世紀(jì) 80 年代中期，光伏組件在一些市場(chǎng)的售價(jià)為每瓦 7 美元。

 

隨著時(shí)間的推移，輸出電壓為 24 V（標(biāo)稱(chēng)值）的光伏模塊變得可用，照明和泵也與時(shí)俱進(jìn)，與該電壓相匹配。這些 24 V 模塊的功率輸出也有所增加，范圍在 50 至 60 瓦的水平。固態(tài)充電控制器上市，比舊的繼電器型充電控制器更高效。最終，充電控制器具有峰值功率跟蹤功能，使控制器能夠全天從光伏模塊中提取最大可用能量，同時(shí)仍將電池保持在最佳充電狀態(tài)。

許多離網(wǎng)、偏遠(yuǎn)的光伏系統(tǒng)現(xiàn)在都擁有在 48 V 直流電壓（參見(jiàn)照片 2）或更高電壓下運(yùn)行的電池系統(tǒng)，以及在該電壓下運(yùn)行的匹配光伏陣列和充電控制器以及也在該電壓下運(yùn)行的各種直流負(fù)載。目前，甚至有充電控制器可接受光伏陣列高達(dá) 600 V 的直流輸出，在峰值功率跟蹤陣列輸出的同時(shí)，它們還可以為 48 V 直流電池組提供充電控制。這種充電控制器可以方便地將 48 伏電池組添加到具有更高直流陣列輸出電壓的光伏系統(tǒng)中。

 

獨(dú)立逆變器問(wèn)世，它可以采用 12 V、24 V 或 48 V 直流電池組的輸出（取決于逆變器型號(hào)）并將其轉(zhuǎn)換為 120 V、60 Hz 交流電 (AC)。其中一些早期逆變器的額定功率為 500 W（見(jiàn)圖 3）、1000 W，以及高達(dá) 2000 至 2500 W 的交流輸出（見(jiàn)圖 4）。這些早期的獨(dú)立逆變器具有 60 Hz 的矩形波形輸出，無(wú)法與所有類(lèi)型的電子負(fù)載一起使用。最終，逆變器經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以輸出純正弦 60 Hz 波形，幾乎可以用于所有負(fù)載。逆變器的使用使得大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)交流負(fù)載可以通過(guò)遠(yuǎn)程位置的光伏系統(tǒng)運(yùn)行。電池組規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，但在許多情況下，仍然使用 12 和 24 V 富液式鉛酸電池的多個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)連接。在許多情況下，這些遠(yuǎn)程離網(wǎng)應(yīng)用中使用了 12 或 24 伏的較大工業(yè)電池。

 

在 20 世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初的并行開(kāi)發(fā)工作中，開(kāi)發(fā)了公用事業(yè)交互式光伏逆變器，它可以獲取光伏陣列的直流輸出并將其饋送到本地交流負(fù)載，或者如果能源多于當(dāng)?shù)匦枨?，則向公用事業(yè)提供交流能源?？蓮墓夥到y(tǒng)獲得。這些被稱(chēng)為“市電互動(dòng)”逆變器，因?yàn)槿绻麤](méi)有市電電壓（標(biāo)稱(chēng) 120 或 240 V -12% 至 +10%）和頻率信號(hào)（標(biāo)稱(chēng) 60 Hz -0.7 Hz 至 +0.5 Hz），它們就無(wú)法完成直流到交流的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 ）出現(xiàn)在他們的交流輸出上。這意味著，如果沒(méi)有公用設(shè)施且在這些容差范圍內(nèi)，光伏逆變器將無(wú)法工作，并且不會(huì)向交流負(fù)載輸送電力（無(wú)論是公用設(shè)施還是光伏電力）。

從 20 世紀(jì) 70 年代末到 80 年代，直至今日，公用事業(yè)交互式逆變器的功能與獨(dú)立逆變器的功能相融合，形成了多模式逆變器。多模式逆變器具有一個(gè)連接到公用設(shè)施的交流輸入/輸出連接以及一個(gè)連接到本地交流負(fù)載的交流輸出連接（參見(jiàn)照片 5）。與電池有連接；必要時(shí)，電池可以從市電充電，并向連接的負(fù)載提供 60 Hz、120 V 交流電。白天，電池還可通過(guò)充電控制器從光伏陣列的直流輸出充電。這種類(lèi)型的多模式光伏系統(tǒng)稱(chēng)為直流耦合光伏系統(tǒng)。

 

在后來(lái)的逆變器版本中，多模式逆變器的交流輸出還可以接受來(lái)自連接到直流光伏系統(tǒng)的第二個(gè)公用事業(yè)交互式逆變器的輸出的交流輸入。第二個(gè)公用事業(yè)交互式逆變器的交流輸出可用于為本地負(fù)載供電，并通過(guò)多模式逆變器，在必要時(shí)為電池充電，并將多余的光伏能量輸送給公用事業(yè)。這種類(lèi)型的多模式系統(tǒng)被稱(chēng)為交流耦合系統(tǒng)，并且沒(méi)有用于對(duì)光伏陣列的電池進(jìn)行直流充電的充電控制器。多模式逆變器使用來(lái)自公用設(shè)施或通過(guò)公用設(shè)施交互式逆變器來(lái)自光伏陣列的能量來(lái)管理電池充電和放電過(guò)程。由于多模逆變器可以向受保護(hù)的負(fù)載提供 120 V 或 240 V 的 60 HZ 交流電，

這些早期類(lèi)型的光伏系統(tǒng)，即獨(dú)立式（離網(wǎng)系統(tǒng)）和帶或不帶電池的公用事業(yè)互動(dòng)系統(tǒng)，如今已在我們身邊，許多用戶(hù)選擇這些類(lèi)型的系統(tǒng)。然而，進(jìn)步不會(huì)被阻礙；這些系統(tǒng)的新版本或修改目前非常流行。

 

當(dāng)今的電池備份光伏系統(tǒng)。  這些較新的系統(tǒng)需求量很大，因?yàn)閲?yán)重風(fēng)暴、野火、意外天氣事件（異常高溫或異常低溫）以及其他給公用事業(yè)帶來(lái)壓力的情況導(dǎo)致該國(guó)某些地區(qū)公用事業(yè)頻繁中斷。  請(qǐng)參閱導(dǎo)入圖片。

仍然使用帶有通風(fēng)蓋的富液式鉛酸電池，必須將通風(fēng)蓋拆下才能定期加水。但現(xiàn)在我們對(duì)閥控鉛酸 (VRLA) 電池進(jìn)行了改進(jìn)，如凝膠電池和吸收玻璃墊 (AGM) 電池。這些 VRLA 電池本質(zhì)上是密封的，不能加水。它們有一個(gè)單向排氣口，當(dāng)過(guò)度充電時(shí)可以讓氫氣逸出。此類(lèi)電池的充電控制必須比富液式鉛酸電池的充電控制更加精確。

最新類(lèi)型的電池采用鋰離子技術(shù)，廣泛用于汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和各種手持式電動(dòng)工具的電池。這種類(lèi)型的電池雖然比鉛酸電池更昂貴，但在給定尺寸和重量的情況下可提供更高千瓦時(shí)的能量存儲(chǔ)，并在電池的使用壽命內(nèi)提供更多的充電和放電循環(huán)。由于這些電池充電不當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱失控問(wèn)題，因此每個(gè)鋰離子電池系統(tǒng)中必須集成非常復(fù)雜的充電管理系統(tǒng)。

鋰離子電池組可與單獨(dú)的多模式或獨(dú)立逆變器一起使用。然而，當(dāng)今的趨勢(shì)是提供工廠(chǎng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建的系統(tǒng)作為完全工程化的系統(tǒng)（見(jiàn)圖 6）。這些系統(tǒng)可能包括多模式逆變器（可能會(huì)或可能不會(huì)調(diào)節(jié)鋰離子電池組的充電）、電池組充電管理系統(tǒng)、用于受保護(hù)負(fù)載（備用電池）的各種電氣子面板、主要非受保護(hù)負(fù)載，以及與公用事業(yè)和光伏系統(tǒng)的連接。在許多情況下，與該系統(tǒng)的光伏陣列連接必須是公用事業(yè)交互式逆變器（或多個(gè)微型逆變器）的交流輸出，或者在少數(shù)情況下是直流輸出。各種外部選項(xiàng)包括用于直流光伏系統(tǒng)輸出的峰值功率跟蹤功率優(yōu)化器和可以管理各種負(fù)載和電網(wǎng)連接的系統(tǒng)控制接觸器（繼電器）。幾乎所有系統(tǒng)都包含或具有滿(mǎn)足以下要求的選項(xiàng)美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范( NEC ) 第 690.11 和 690.12 條對(duì)直流光伏陣列電弧故障檢測(cè)和中斷以及光伏快速關(guān)斷系統(tǒng)的要求。

 

這些系統(tǒng)必須列入保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 發(fā)布的一項(xiàng)或多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，并由三個(gè)國(guó)家認(rèn)可測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（NRTL-UL、ETL、CSA）之一進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證。系統(tǒng)列表尤其重要，因?yàn)檫@些系統(tǒng)具有一定程度的復(fù)雜性和差異性，以至于 NEC無(wú)法具體滿(mǎn)足每個(gè)系統(tǒng)的安全安裝要求。日本電氣公司第 110.3(B) 節(jié)是首要要求，任何列出的系統(tǒng)都必須按照產(chǎn)品隨附的說(shuō)明進(jìn)行安裝。這些上市指令已在上市過(guò)程中得到NRTL上市機(jī)構(gòu)的審查和批準(zhǔn)。此外，UL 安全標(biāo)準(zhǔn)和列名 NRTL 中的要求將確保，如果NEC中有任何適用于這些系統(tǒng)的要求，則組件也能滿(mǎn)足這些要求。除了第 690 條和第 705 條中的適用要求外，此類(lèi)要求還包括第 712 條（直流微電網(wǎng)系統(tǒng)）、第 705 條第二部分（微電網(wǎng)系統(tǒng)）和第 706 條（儲(chǔ)能系統(tǒng)）中的要求。

制造這些新系統(tǒng)的公司包括 Tesla、Generac、Enphase、Sonnen、Panasonic 等。這些系統(tǒng)可以選擇可選的電池模塊，添加這些模塊可以增加存儲(chǔ)的能量。根據(jù)逆變器的額定值，在沒(méi)有市電的情況下，它們運(yùn)行受保護(hù)負(fù)載的功率通常受到限制。將電力從公用設(shè)施傳遞到受保護(hù)負(fù)載和未受保護(hù)負(fù)載取決于各種內(nèi)部導(dǎo)體和各種過(guò)流設(shè)備的尺寸以及總體控制策略。

這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都提供多種可編程操作模式。這些可能包括始終最大化電池充電狀態(tài)、在夜間（或一天中的峰值負(fù)載時(shí)間）耗盡電池以最小化從公用設(shè)施汲取的電力或其他類(lèi)似模式。

 

看得更深入

計(jì)劃審查。實(shí)地考察前。如上所述，這些較新的、由電池供電、工廠(chǎng)設(shè)計(jì)和組裝的系統(tǒng)非常復(fù)雜，以至于 NEC沒(méi)有提供其安裝的詳細(xì)要求。這意味著檢查員（和光伏安裝人員）必須比早期系統(tǒng)更加熟悉這些系統(tǒng)的安裝和操作，以確保公眾的安全。它們將主要安裝在住宅單元上，但預(yù)計(jì)還會(huì)有更大的商業(yè)和公用設(shè)施系統(tǒng)。

盡管許多司法管轄區(qū)沒(méi)有計(jì)劃審查流程或執(zhí)行該流程的人員，但在處理這些更新、更復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)似乎需要計(jì)劃審查階段。為了方便該計(jì)劃審查，正如前面的文章中提到的，除了完整的三線(xiàn)圖之外，許可證申請(qǐng)還應(yīng)包括系統(tǒng)中每臺(tái)設(shè)備的完整安裝和操作手冊(cè)，包括設(shè)備與電池備份系統(tǒng)相關(guān)。

由于這些是完整列出的裝置和設(shè)備，因此必須詳細(xì)遵循安裝說(shuō)明，否則系統(tǒng)將無(wú)法滿(mǎn)足列出過(guò)程 ( NEC 110.3B) 制定的要求。不僅有硬件要求，而且還需要一個(gè)控制軟件正確加載和啟動(dòng)的過(guò)程。安裝和操作手冊(cè)中提供了有關(guān)硬件和軟件的詳細(xì)信息。

為了全面檢查這些系統(tǒng)的安裝和操作是否正確，司法機(jī)關(guān)必須熟悉各種手冊(cè)中的詳細(xì)信息。而且這種熟悉可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能在該領(lǐng)域進(jìn)行快速通讀。應(yīng)為辦公室的計(jì)劃審查階段預(yù)留額外的時(shí)間，這可能需要額外的檢查費(fèi)用。

 

檢驗(yàn)。在任何時(shí)候，任何在具有電池或其他儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)周?chē)ぷ骰驒z查的人都應(yīng)該高度小心，因?yàn)檫@些儲(chǔ)能設(shè)備含有大量的能量。沒(méi)有過(guò)流保護(hù)的導(dǎo)體短路可能會(huì)導(dǎo)致電弧和火花、火災(zāi)以及設(shè)備損壞。司法管轄機(jī)關(guān)應(yīng)要求安裝人員對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行所有操作，并進(jìn)行確保正確安裝和操作所需的所有測(cè)量。

安裝光伏系統(tǒng)的要求，包括與公用設(shè)施的連接、與任何受保護(hù)（電池備份）負(fù)載的連接、與光伏系統(tǒng)的連接以及各種接地和斷開(kāi)要求，應(yīng)充分涵蓋在現(xiàn)有要求中。國(guó)家電氣公司。由于系統(tǒng)由軟件控制并監(jiān)控系統(tǒng)不同部分的各種交流電流，因此有關(guān)母線(xiàn)和導(dǎo)體尺寸的一些現(xiàn)有規(guī)范要求可能不再適用。這些差異將在設(shè)備的安裝手冊(cè)中詳細(xì)說(shuō)明。

檢查應(yīng)驗(yàn)證所有外部現(xiàn)場(chǎng)安裝導(dǎo)體的類(lèi)型和尺寸是否符合 NEC 的要求。接地至關(guān)重要，應(yīng)遵循規(guī)范要求。雖然封裝系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)滿(mǎn)足第 705.11 和 705.12 節(jié)規(guī)定的NEC要求，但安裝手冊(cè)中將再次描述一些差異。如果成套系統(tǒng)和光伏陣列之間存在直流接口或連接，則應(yīng)驗(yàn)證第 690.11 節(jié)（電弧故障檢測(cè)和中斷）和第 690.12 節(jié)（光伏快速關(guān)斷系統(tǒng)）的要求并執(zhí)行光伏快速關(guān)斷系統(tǒng)。

由于鋰離子電池存在潛在的安全隱患，安裝手冊(cè)可能對(duì)系統(tǒng)有特殊的位置和安裝限制。這些可能包括電池組的室外位置，甚至包括整個(gè)系統(tǒng)（如果它是一件式單元）。許多外殼都是室外額定的，但這應(yīng)該經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。

概括

由于風(fēng)暴、野火和意外天氣事件而導(dǎo)致的公用事業(yè)停電更加頻繁，從而產(chǎn)生了對(duì)能夠提供這種缺失能源的光伏系統(tǒng)的需求。電池供電的光伏系統(tǒng)可以滿(mǎn)足這些要求，并且多家制造商正在生產(chǎn)此類(lèi)系統(tǒng)。NEC中的要求并未完全滿(mǎn)足這些具有儲(chǔ)能功能的更為復(fù)雜的光伏系統(tǒng)。完整列出的系統(tǒng)由軟件控制，并具有內(nèi)部電源控制系統(tǒng)，在某種程度上可能取代各種NEC要求。盡管司法機(jī)關(guān)需要付出更多的努力和研究，但必須使用該設(shè)備手冊(cè)中的信息來(lái)驗(yàn)證安裝是否符合規(guī)范。這些較新的系統(tǒng)和后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)該成為在每個(gè)司法管轄區(qū)設(shè)立計(jì)劃審查員職位的絕佳理由。至少，每次檢查應(yīng)在辦公室分配額外的時(shí)間，以便在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢查之前進(jìn)行計(jì)劃審查。

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本文由日本NEC鋰電池中國(guó)營(yíng)銷(xiāo)中心于2023-07-03 21:53:39 整理發(fā)布。
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