太阳能全数字高频开关恒电位仪

原理

太阳能阴极保护供电系统是由太阳能电池阵列、充放电控制器、蓄电池组、恒电位仪、阴极保护体系等组成。如图1所示。

白天有阳光时，光电池将吸收的阳光转换成电能，给蓄电池组充电，并给恒电位仪供电。夜晚无阳光时，由蓄电池组给恒电位仪供电。恒电位仪能自动调节管线对地的电流，达到自动恒定电位的目的，可使在一定距离内管线电位达到起保护作用的电位。当金属管道的保护层完好无损即未被腐蚀时，仅从电源取很小的电流，而当管线有腐蚀发生时，为保持电位的恒定，就需要更多的功率。

阴极保护

金属防腐有很多措施，普遍采取的有效方法是阴极保护法。当金属达到平衡电位后，再施加阴极电流，金属的电极电位从原平衡电位向负偏移，使金属进入免蚀区，实现保护。把被保护金属变成阴极的防止金属腐蚀的方法叫阴极保护。

阴极保护有两种：

一种是牺牲阳极法，指在要保护的金属构件上连接上一种电极电位较负（较活泼）的金属或合金作为防腐蚀电极阳极。根据电池原理，电子从阳极流向阴极，发生阴极极化，从而使金属钢铁得到保护。

另外一种外加电流的方法，这种方法是利用外加电流电源，将保护的金属管与电源负极连接，使金属管变成阴极而进行阴极极化，以减小或防止金属腐蚀。目前国内外对石油和天然气输送管道均是在外加保护层的前提下实施电化学保护，而比较成功的办法是外加直流电流阴极保护法。

阴极保护应用条件如下：

① 保护金属的介质必须是能导电的，以便能建立起连续的电路。

② 保护金属材料在所处的介质中要容易进行阴极极化，否则耗电量大，不宜采用阴极保护。

③ 对于复杂的金属设备或构物，要考虑其几何上的“屏蔽作用”，防止保护电流的不均匀性。

④ “没有电绝缘，就没有阴极保护”。电绝缘是阴极保护必不可少的条件，为了降低保护电流密度要釆用覆盖层绝缘。

⑤ 被保护金属系统间的电连续性是阴极保护的一个条件，即确保电流的畅通。

控制器

控制器的主要功能是防止太阳能电池方阵对蓄电池组过充电或防止蓄电池组对负载过放电，同时保证对太阳能电池阵列起到极大功率点控制的作用。对铅酸蓄电池来说充电到单体电池平均电压2.38〜2.42V时起停止充电或涓流充电，蓄电池组放电时，根据不同的放电率放电到单体电池平均电压U=L8〜2.0V控制停止放电，以保护蓄电池。而太阳能光伏发电系统，必须设置控制调节转换装置，并起到如下的作用

① 当蓄电池组过充或过放时，可以报警或自动切断电路，保护蓄电池组。

② 接需要设置高精度的恒压或恒流装置。

③ 当蓄电池组有故障时，可以自动切换接通备用蓄电池组，以保证负载正常用电。

④ 当负载发生短路时，可以自动断开。

可持续大功率跟踪点设计

本设计釆用CVT(恒定电压跟踪法)的可持续大功率点控制，此方法相对简单有效。

图2 太阳能电池的伏安特性及其工作点

在不同的日照强度下它与负载特性L的交点如a、b、c、d、e为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点并不正好落在阵列可能提供的极大功率点a’、b’、c’、d’、e’，这就不能充分利用当前条件下阵列所能提供的极大功率，被浪费的阵列能量如图2阴影所示的面积。人们发现当温度保持在某一固定值时，a’、b’、c’、d'、e’这些点几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把极大功率点的轨迹线近似地看成电压U=Const的一根垂直线，亦即只要保持阵列的输出电压为常数且等于某一日照强度下相对应的极大功率点的电压,就可以大致保持阵列输出在该温度下的极大功率，把极大功率跟踪器简化为一个稳压器,因此称为恒定电压跟踪法。

充放电控制设计

根据蓄电池充放电的性质，可以将蓄电池的过充点和过放点分别设为2个阈值电压点，充放电过程中不停地检测蓄电池的电压，当蓄电池输出电压低于过放电点时就切断蓄电池与负载的连接停止放电；当蓄电池的电压高于过充点时就切断蓄电池与太阳能电池的连接，停止充电。软件流程图如下：

注：流程图中标示变量FlagL和FlagH分别标示蓄电池的电压过低和过高，初始化包括各寄存器的初始化以及Flagl>0和FlagH=OoUsun>Uxu表示太阳能电池电压高于蓄电池电压。为了稳定充放电保护负载，程序设定由过充或过放时到正常可以工作时持续一分钟后(确保此正常电路并非短暂瞬间的正常)再正常放电或充电。

保护措施

包括短路过载保护、防反冲保护及对蓄电池组的温度补偿。

蓄电池组

在独立的太阳能光伏发电系统中，系统产生的电能不可能一直满足用电负载的需求，所以通常需要储能装置进行能量调节。太阳能电池方阵只有在光照射工作，有功率输出，到晚上或阴雨天由于没有光线而不能输出功率，平时将太阳能电池方阵有光时发的电能储存起来，供晩上或雨天无光照时应用，所以太阳能光伏发电系统要装备储能蓄电池组,太阳能光伏发电系统中的储能蓄电池组，有几个作用：一是储能，为后续负载提供持续的电能；二是钳位，当把太阳电池组件直接连接负载时，由于太阳电池的工作特性受太阳辐照强度、温度等影响很大，使负载常常不能一直工作在理想工作点附近，系统效率很低，而蓄电池组对太阳电池的工作电压具有钳位作用，能够保证系统工作在理想工作点附近。国外有专为太阳能光伏发电储蓄所用的蓄电池组，祢为“太阳能蓄电池组”。

目前中国使用于太阳能光伏发电系统中的蓄电池组有少量用于高寒户外系统釆用竦镉电池，大多数是铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统使用镣镉或镣氢蓄电池情况比较多，锂电池由于成本以及对充放电控制要求较高的原因，目前在太阳能光伏系统中应用还很少。

本系统采用铅酸蓄电池组，具有耐低倍率充放电性能好，耐气候性好，价格低，寿命长，可靠性高等优点。