自诞生以来，电池（又名储能系统）已用于光伏（PV）电力系统。大多数能源用户都需要持续供电，当然，光伏系统在没有阳光的情况下不会提供电力。因此，即使是最初使用光伏电池和模块的太空和地面应用也与电池相结合，以向负载提供一致的能量传输。由于各种环境事件导致公用设施停电更加频繁，电池在当今的光伏系统中变得更加重要。

历史的角度

光伏组件最初的一些地面用途是为住宅提供远程照明和抽水。这些早期（1970 年代）光伏模块的功率范围为 10 至 40 W（瓦），并以约 17 伏 (V) 直流 (DC) 产生电力，这是标称 12 伏光伏模块的峰值功率点电压。这些光伏组件通常有 36 个电池串联，但有些只有 30 个电池串联。这些早期应用使用 12 V 汽车电池（富液式铅酸型 — 参见照片 1）或 12 V 深循环船用电池以及 12 V 汽车灯泡和 12 V 直流水泵。非常早期的继电器型充电控制器通过监控电池电压并根据需要将光伏系统连接到电池来管理电池的充电状态，以保持电池充电但不会过度充电。还使用继电器再次监控电池电压，以便在电池放电过深时提供负载的低压断开。那些早期的光伏组件相当昂贵，价格在每瓦 25 美元甚至更高。到 20 世纪 80 年代中期，光伏组件在一些市场的售价为每瓦 7 美元。

 

随着时间的推移，输出电压为 24 V（标称值）的光伏模块变得可用，照明和泵也与时俱进，与该电压相匹配。这些 24 V 模块的功率输出也有所增加，范围在 50 至 60 瓦的水平。固态充电控制器上市，比旧的继电器型充电控制器更高效。最终，充电控制器具有峰值功率跟踪功能，使控制器能够全天从光伏模块中提取最大可用能量，同时仍将电池保持在最佳充电状态。

许多离网、偏远的光伏系统现在都拥有在 48 V 直流电压（参见照片 2）或更高电压下运行的电池系统，以及在该电压下运行的匹配光伏阵列和充电控制器以及也在该电压下运行的各种直流负载。目前，甚至有充电控制器可接受光伏阵列高达 600 V 的直流输出，在峰值功率跟踪阵列输出的同时，它们还可以为 48 V 直流电池组提供充电控制。这种充电控制器可以方便地将 48 伏电池组添加到具有更高直流阵列输出电压的光伏系统中。

 

独立逆变器问世，它可以采用 12 V、24 V 或 48 V 直流电池组的输出（取决于逆变器型号）并将其转换为 120 V、60 Hz 交流电 (AC)。其中一些早期逆变器的额定功率为 500 W（见图 3）、1000 W，以及高达 2000 至 2500 W 的交流输出（见图 4）。这些早期的独立逆变器具有 60 Hz 的矩形波形输出，无法与所有类型的电子负载一起使用。最终，逆变器经过改进，可以输出纯正弦 60 Hz 波形，几乎可以用于所有负载。逆变器的使用使得大多数标准交流负载可以通过远程位置的光伏系统运行。电池组规模继续扩大，但在许多情况下，仍然使用 12 和 24 V 富液式铅酸电池的多个串联和并联连接。在许多情况下，这些远程离网应用中使用了 12 或 24 伏的较大工业电池。

 

在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初的并行开发工作中，开发了公用事业交互式光伏逆变器，它可以获取光伏阵列的直流输出并将其馈送到本地交流负载，或者如果能源多于当地需求，则向公用事业提供交流能源。可从光伏系统获得。这些被称为“市电互动”逆变器，因为如果没有市电电压（标称 120 或 240 V -12% 至 +10%）和频率信号（标称 60 Hz -0.7 Hz 至 +0.5 Hz），它们就无法完成直流到交流的转换过程。 ）出现在他们的交流输出上。这意味着，如果没有公用设施且在这些容差范围内，光伏逆变器将无法工作，并且不会向交流负载输送电力（无论是公用设施还是光伏电力）。

从 20 世纪 70 年代末到 80 年代，直至今日，公用事业交互式逆变器的功能与独立逆变器的功能相融合，形成了多模式逆变器。多模式逆变器具有一个连接到公用设施的交流输入/输出连接以及一个连接到本地交流负载的交流输出连接（参见照片 5）。与电池有连接；必要时，电池可以从市电充电，并向连接的负载提供 60 Hz、120 V 交流电。白天，电池还可通过充电控制器从光伏阵列的直流输出充电。这种类型的多模式光伏系统称为直流耦合光伏系统。

 

在后来的逆变器版本中，多模式逆变器的交流输出还可以接受来自连接到直流光伏系统的第二个公用事业交互式逆变器的输出的交流输入。第二个公用事业交互式逆变器的交流输出可用于为本地负载供电，并通过多模式逆变器，在必要时为电池充电，并将多余的光伏能量输送给公用事业。这种类型的多模式系统被称为交流耦合系统，并且没有用于对光伏阵列的电池进行直流充电的充电控制器。多模式逆变器使用来自公用设施或通过公用设施交互式逆变器来自光伏阵列的能量来管理电池充电和放电过程。由于多模逆变器可以向受保护的负载提供 120 V 或 240 V 的 60 HZ 交流电，

这些早期类型的光伏系统，即独立式（离网系统）和带或不带电池的公用事业互动系统，如今已在我们身边，许多用户选择这些类型的系统。然而，进步不会被阻碍；这些系统的新版本或修改目前非常流行。

 

当今的电池备份光伏系统。  这些较新的系统需求量很大，因为严重风暴、野火、意外天气事件（异常高温或异常低温）以及其他给公用事业带来压力的情况导致该国某些地区公用事业频繁中断。  请参阅导入图片。

仍然使用带有通风盖的富液式铅酸电池，必须将通风盖拆下才能定期加水。但现在我们对阀控铅酸 (VRLA) 电池进行了改进，如凝胶电池和吸收玻璃垫 (AGM) 电池。这些 VRLA 电池本质上是密封的，不能加水。它们有一个单向排气口，当过度充电时可以让氢气逸出。此类电池的充电控制必须比富液式铅酸电池的充电控制更加精确。

最新类型的电池采用锂离子技术，广泛用于汽车电动汽车 (EV) 和各种手持式电动工具的电池。这种类型的电池虽然比铅酸电池更昂贵，但在给定尺寸和重量的情况下可提供更高千瓦时的能量存储，并在电池的使用寿命内提供更多的充电和放电循环。由于这些电池充电不当时会出现热失控问题，因此每个锂离子电池系统中必须集成非常复杂的充电管理系统。

锂离子电池组可与单独的多模式或独立逆变器一起使用。然而，当今的趋势是提供工厂设计和构建的系统作为完全工程化的系统（见图 6）。这些系统可能包括多模式逆变器（可能会或可能不会调节锂离子电池组的充电）、电池组充电管理系统、用于受保护负载（备用电池）的各种电气子面板、主要非受保护负载，以及与公用事业和光伏系统的连接。在许多情况下，与该系统的光伏阵列连接必须是公用事业交互式逆变器（或多个微型逆变器）的交流输出，或者在少数情况下是直流输出。各种外部选项包括用于直流光伏系统输出的峰值功率跟踪功率优化器和可以管理各种负载和电网连接的系统控制接触器（继电器）。几乎所有系统都包含或具有满足以下要求的选项美国国家电气规范( NEC ) 第 690.11 和 690.12 条对直流光伏阵列电弧故障检测和中断以及光伏快速关断系统的要求。

 

这些系统必须列入保险商实验室 (UL) 发布的一项或多项标准，并由三个国家认可测试实验室（NRTL-UL、ETL、CSA）之一进行测试和认证。系统列表尤其重要，因为这些系统具有一定程度的复杂性和差异性，以至于 NEC无法具体满足每个系统的安全安装要求。日本电气公司第 110.3(B) 节是首要要求，任何列出的系统都必须按照产品随附的说明进行安装。这些上市指令已在上市过程中得到NRTL上市机构的审查和批准。此外，UL 安全标准和列名 NRTL 中的要求将确保，如果NEC中有任何适用于这些系统的要求，则组件也能满足这些要求。除了第 690 条和第 705 条中的适用要求外，此类要求还包括第 712 条（直流微电网系统）、第 705 条第二部分（微电网系统）和第 706 条（储能系统）中的要求。

制造这些新系统的公司包括 Tesla、Generac、Enphase、Sonnen、Panasonic 等。这些系统可以选择可选的电池模块，添加这些模块可以增加存储的能量。根据逆变器的额定值，在没有市电的情况下，它们运行受保护负载的功率通常受到限制。将电力从公用设施传递到受保护负载和未受保护负载取决于各种内部导体和各种过流设备的尺寸以及总体控制策略。

这些系统中的大多数都提供多种可编程操作模式。这些可能包括始终最大化电池充电状态、在夜间（或一天中的峰值负载时间）耗尽电池以最小化从公用设施汲取的电力或其他类似模式。

 

看得更深入

计划审查。实地考察前。如上所述，这些较新的、由电池供电、工厂设计和组装的系统非常复杂，以至于 NEC没有提供其安装的详细要求。这意味着检查员（和光伏安装人员）必须比早期系统更加熟悉这些系统的安装和操作，以确保公众的安全。它们将主要安装在住宅单元上，但预计还会有更大的商业和公用设施系统。

尽管许多司法管辖区没有计划审查流程或执行该流程的人员，但在处理这些更新、更复杂的系统时似乎需要计划审查阶段。为了方便该计划审查，正如前面的文章中提到的，除了完整的三线图之外，许可证申请还应包括系统中每台设备的完整安装和操作手册，包括设备与电池备份系统相关。

由于这些是完整列出的装置和设备，因此必须详细遵循安装说明，否则系统将无法满足列出过程 ( NEC 110.3B) 制定的要求。不仅有硬件要求，而且还需要一个控制软件正确加载和启动的过程。安装和操作手册中提供了有关硬件和软件的详细信息。

为了全面检查这些系统的安装和操作是否正确，司法机关必须熟悉各种手册中的详细信息。而且这种熟悉可能需要很长时间才能在该领域进行快速通读。应为办公室的计划审查阶段预留额外的时间，这可能需要额外的检查费用。

 

检验。在任何时候，任何在具有电池或其他储能系统的光伏系统周围工作或检查的人都应该高度小心，因为这些储能设备含有大量的能量。没有过流保护的导体短路可能会导致电弧和火花、火灾以及设备损坏。司法管辖机关应要求安装人员对系统执行所有操作，并进行确保正确安装和操作所需的所有测量。

安装光伏系统的要求，包括与公用设施的连接、与任何受保护（电池备份）负载的连接、与光伏系统的连接以及各种接地和断开要求，应充分涵盖在现有要求中。国家电气公司。由于系统由软件控制并监控系统不同部分的各种交流电流，因此有关母线和导体尺寸的一些现有规范要求可能不再适用。这些差异将在设备的安装手册中详细说明。

检查应验证所有外部现场安装导体的类型和尺寸是否符合 NEC 的要求。接地至关重要，应遵循规范要求。虽然封装系统内部应满足第 705.11 和 705.12 节规定的NEC要求，但安装手册中将再次描述一些差异。如果成套系统和光伏阵列之间存在直流接口或连接，则应验证第 690.11 节（电弧故障检测和中断）和第 690.12 节（光伏快速关断系统）的要求并执行光伏快速关断系统。

由于锂离子电池存在潜在的安全隐患，安装手册可能对系统有特殊的位置和安装限制。这些可能包括电池组的室外位置，甚至包括整个系统（如果它是一件式单元）。许多外壳都是室外额定的，但这应该经过验证。

概括

由于风暴、野火和意外天气事件而导致的公用事业停电更加频繁，从而产生了对能够提供这种缺失能源的光伏系统的需求。电池供电的光伏系统可以满足这些要求，并且多家制造商正在生产此类系统。NEC中的要求并未完全满足这些具有储能功能的更为复杂的光伏系统。完整列出的系统由软件控制，并具有内部电源控制系统，在某种程度上可能取代各种NEC要求。尽管司法机关需要付出更多的努力和研究，但必须使用该设备手册中的信息来验证安装是否符合规范。这些较新的系统和后续系统应该成为在每个司法管辖区设立计划审查员职位的绝佳理由。至少，每次检查应在办公室分配额外的时间，以便在实际现场检查之前进行计划审查。

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本文由日本NEC锂电池中国营销中心于2023-07-03 21:53:39 整理发布。
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