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独立光伏发电LED照明系统的研究




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硕士学位论文


论文题目

弛童出迭蕉虫业坠盛咀垂蕴鳆研塞

作者姓名—j尚翅————一
指导教师—_圭蜘业L—亟最堤曼一

学科(专业L—监赵且至兰虫血佳in一

所在

学院———虫生王捏堂雎——一

提交13期———垫虹主堕』—一

摘要
近年来,随着科技进步,以独立光伏发电LED照明系统为代表的景观照明产业得到了 蓬勃的发展。但是,系统的重要组成部分一太阳电池的价格仍然较高,其光电转换效率有待
继续提高,且由于系统往往仅通过防电流倒灌二极管将硅太阳电池与蓄电池直接相连,降低

了硅太阳电池的能量利用率,致使系统的性价比不高;不仅如此,作为系统光源,LED也 由于驱动电路的不合理而造成严重的光衰现象,降低了系统的性价比。 论文首先从整体上对独立光伏发电LED照明系统做了详细阐述,并介绍了系统中的硅太 阳电池,铅酸蓄电池、LED光源等各个组成部分的配置原则。

然后研究分析了硅太阳电池的特性,对太阳电池的等效串连、并联电阻对电池输出特性
的影响作用做了研究,并在阅读大量参考文献的基础上,对目前国内外关于太阳电池最大功 率点追踪策略的若干种方法以及各自的优缺点进行了总结、归纳。然后着重研究了扰动观察 法最大功率追踪策略,分析了用扰动观察法进行功率点追踪过程中的功率振荡问题,并在此 基础上提出了一种控制简单有效、适合以蓄电池为负载的太阳电池最大功率点追踪策略:进 一步分析了硅太阳电池阵列的电气特性以及相关的最大功率点追踪策略,提出了一种能够适 应外界环境的变化、无功率振荡的扰动观察法最大功率点追踪策略,并通过实验验证了方案

的优越性;最后设计了LED光源的驱动电路。

关键词:光伏发电;硅太阳电池;最大功率点追踪;LED)

Abstract

Along with the rapid development of

technology,photovoltaic(PV)energy

presents great

potential in distributed systems.However,as the most important element,the PV cell is still very expensive,and its efficiency of light-electricity also needs conventionally connected
to to

be improved.And the PV module is

bauer),with



blockading diode in the usual

solar system’s

configuration,which leads the actual efficiency to be lower because the operation solar

point

of the

module

is allowed to drift according maximize the energy

to

uncontrolled load and atmospheric conditions electronics eonverters controlled

variations.In order

to

conversion,power

、vitll Maximum Power Point

Tracking(MPPl)algorithms that consider
be iIsed

the nonlinear output

characteristic ofPV

modules should

In

Chapter two of the paper,configuration priueipal
are

and electrical characteristics

of

solar

lighting system

introduced

first.Then the author takes research into the characteristics ofthe
the output of

solar cell,especially the influence of the equivalent series/parallel resistor

on

the

Conventional perturb and observation(P&O)MPPT strategy will make the final operation

point

ofthe solar module oscillate at the MPP,thus results in the power loss ofthe solar energy different implement ofa P&O MPPT algorithm that mitigate/reduce the
also begin

The thesis proposes



can

main drawbacks commonly related to the P&O method.And the proposed strategy
new MPPT ifthe temperature 01"atmospheric conditions changes.

Call



Finally,Experimental results for



dc—de controlled with



MCU system are presented

to

validate the analysis and verify the performance ofthe proposed contrd scheme.

Key words:Photovoltaic;Solar cell;Maximum Power Point Tracking;LED?

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第一章绪论
1.1引言
21世纪,人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,能源短缺和
环境保护是当前经济发展和能源领域最重要的课题。回顾100年间能源工业的发

展历史,人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源。煤和石油虽然 极大地解放了生产力,但同时也向人类敲响了常规能源面临枯竭的警钟。根据有 关材料显示,人类己确知的石油储备可供开采40多年,天然气可供开采60余年, 煤可供开采200年,高成本油气田可供开采450年。能源问题的突出,不仅表现 在常规能源的匮乏不足,更重要的是化石能源的开发利用对生态环境的污染破 坏:每年有数十万盹硫等有害物质抛向天空,使大气环境遭到严重污染,局部地 区形成酸雨,严重污染水土,直接影响居民的身体健康和生活质量。而每年排放 的210万吨二氧化碳带来的温室效应,更造成冰雪消融,冰川退缩,全球气候变 暖,自然灾害频繁。由此可见,常规能源在给人类社会带来巨大腾飞的同时,也 在很大程度上使人类社会面临着前所未有的毁灭性灾难。在有关国际组织己召开 多次会议,限制各国C02等温室气体的排放量。这些问题最终将迫使人们改变 能源结构,依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源,实现可持续发展。 太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用量巨大【1 n。太阳每秒钟放射的能
量大约是1.6X 1023kw,其中到达地球的能量高达8X 10”kW,相当于6X 109吨

标准煤。按此计算,一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×l
0”千亿吨,是目前世界主要能源探明储量的一一万倍。太阳的寿命至少尚有40亿 年,相对于人类历史来说,太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。

相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的“无限性”,存在的普遍性,使用
的经济性,利用的清洁性,决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、 枯竭的最有效途径之一。

太阳能、风能等清洁能源凭借其自身优势得到了越来越多的关注,其开发利
用在最近几年能得到如此长足的发展【m】1131,究其原因,可以简单归纳如下:

≯一次能源,可再生能源;
>可以免费使用,无需运输; >可以替代部分常规能源,增强能源供应的安伞性和可靠性;

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>可以降低二氧化碳的排放,减缓全球的气候变暖。 由此可见,太阳能等清洁能源必将在世界能源结构转移中担起重任,成为 21世纪后期的主导能源。 太阳能的应用领域非常广泛,但最终可归结为太阳能的光热利用和光电利用 两个方面【14】。 日常生活中,太阳能热水器便是光热利用的一个很好的例子,除此之外太阳 能的光热利用还包括太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土 壤消毒杀菌系统等,这些技术尤其在北方和西部应用较广,成效显著。 太阳能热发电是太阳能热利用的另一个重要方面,它是利用集热器把太阳辐 射热能集中起来给水加热产生蒸汽,然后通过汽轮机、发电机来发电。欧美在太 阳能热发电方面较领先,我国才刚刚起步。 若用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能,这将是最理 想的方案,太阳能与建筑(包括高层)一体化研究与实施,是未来太阳能热开发
利用的重要方向。

除了太阳能热应用外,太阳能的光电应用也得到了长足的发展,这主要表现为 光伏产业的发展,包括独立光伏系统、光伏并网系统等方面的应用。 太阳电池的发展 目前已经商品化的太阳电池有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光 电池及薄膜电池等几类叫11161;光电转换效率也逐渐提高,多晶硅光电池转化率
达到15%,单晶硅光电池转化率是23.3%,砷化镓光电池是25%,在实验室中特

制的砷化镓光电池己达35%.36%。近几年,随着德国、日本政府对光伏产业的大
力支持,光伏产业得到了蓬勃的发展,在提高太阳电池的光电转换效率的手段上,

除了在对原材料上做研究革新之外,还在封装等工艺上做了很多改进。主要有:
1.减少表面光学损失m71

太阳电池的表面光学损失主要包括电池表面反射损失、栅极电极遮光造成的
损失和透射损失。 太阳电池表面的反射,可造成几乎30%的太阳光能量损失,因此如果减少

这部分反射,将会大幅度提高太阳电池的转换效率。目前主要可以采用减反射膜, 特殊的表面结构处理如绒面、V形槽面等技术来减少反射所造成的能量损失。
对于一般太阳电池,遮光损失约为4%~15%;透射损失与电池材料的厚度

有关,如果电池太薄,某些能量的光子会从电池背面穿出。

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2.叠层太阳电池Ils】119】

对于单结太阳电池,即便是用晶体材料制备的,其转换效率的理论极限也只 有28%左右。GaAs化合物半导体电池,其带隙比si高,而且具有与太阳光谱 相当一致的光谱特性,且其工作温度比硅高,因而具有更高的转换效率。理论情 况下,不同材料太阳电池的最大转换效率如下图所示:


’一






.虫

o }E
ILl

Band Gaps ineV

图1.1不同材料太阳电池的最大光电转换效率 这是因为太阳光谱的能量分布较宽,而任何一种半导体只能吸收其中能量比 自己带隙值高的光子。其余的光子不是穿过电池被背面金属吸收而变成热量,就
是将能量传递给电池材料本身的原子,使材料发热。这些能量不能通过产生光生

载流子变成电能。不仅如此,这些光子的热效应还会升高电池的工作温度而是电 池性能下降。 为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量,把太阳光谱分成 几个区域,用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池,使整个电池的光
谱响应接近与太阳光光谱。这就是叠层太阳电池。把具有不同带隙(Eg)材料的

薄膜电池叠加,则可利用更宽谱域的光能,由此可提高大阳电他的效率。异质叠 层太阳电池中,利用宽带隙材料作顶电池,将短波长光能转变为电能;利用窄带 隙材料作底电池,将长波长光能转变为电能。由于更加充分地利用了阳光的谱域,
异质叠层太阳电池应有更高的光电转换效率,

这种叠层电池由于是由各个子电池串联而成,因此其开路电压较高。
3.

聚光太阳电池…ol【11l】【l

1211¨3】

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聚光电池的最高效率普遍高于非聚光太阳电池,且采用聚光太阳电池是降低 太阳电池发电成本的有效途径之一。以减少给定功率所需的电池面积、用比较便 宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池,从而使得在这种系统中太阳电池的费用 只占系统总费用的一小部分。因此可以采用工艺先进、效率更高而价格较贵的电 池来提高整个系统的性能。 聚光光伏系统通常由聚光系统、光伏转换系统、系统平衡部分组成。 聚光系统包括聚光器、二次聚光器、分色镜、棱形盖板等。光伏转换系统包 括聚光太阳电池组件、散热器等,是整个光伏系统能量来源的最终部件。系统平 衡部分包括跟踪器、控制器、支架等。 太阳电池在高聚光大电流下,其工作温度的升高将导致效率的下降,因此, 需要有效的散热设备来降低电池温度,提高电池工作效率。 目前聚光光伏系统的主要技术问题包括:高效低成本的聚光技术;由聚光不
均匀所带来的热性能和电性能的变化;电池组件的散热问题;高效的聚光光伏电

池;可靠低成本的跟踪系统等。 但是随着技术的不断发展,聚光光伏系统必将取得重大突破和进步。
4.新材料的应用…4】【l
J15】【1 16】【1171[¨8】

随着科技进步,越来越多的材料被用来制作太阳电池,其中包括染料敏化太 阳电池、纳米太阳电池等,且太阳电池的光电转换效率越来越高,体积能量比越
来越小,甚至出现了薄膜可折叠的太阳电池。

光源的发展 室外照明光源一般采用CFL节能灯、汞灯、高压或低压钠灯、金卤灯,近 年来又出现了无极灯和半导体发光器件LED。这些光源按其发光原理可以分为
低气压放电灯、高气压放电灯、电磁感应灯、场致发光灯等。 下图为几种光源的参数对比…9lfl20】: 灯类型 白炽灯 卤素灯 低压钠灯 高压钠灯 功率(W)
40 35 35 50

光效 (1m/W)
10 17 131 68

光通量
(1m) 400 600 4600 3400

相关色温
(Tc) 2600 4000 2000 2000

显色指数 (1U)
90 90 25 30

寿命(h)
1000 2000 20000 20000



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金卤灯 无极灯
HBLED

35 35 10 35

65

2275 2800
450 3200

4500 4000 4000 5000

78 85

15000 60000

80
45 91

85
90

100000
2500

汽车头灯

表1.1几种光源的特性对比

通过上表可以看出: 高压钠灯光效高,寿命也较长,但是显色性不好。因此目前常被使用在显色 效果要求不高城市主干道道路照明中; 金卤灯的显色性和相关色温较高,因此目前主要应用在高质量的广场照明或 者商场照明中; LED光源的寿命极长,而且随着科技的进步,LED光源取得了越来越大的 进步,光效越来越高,前景很广阔,并已经由传统的作为指示灯用途而跨入现代 照明体系中,以其诸多优点在路灯照明系统中扮演着越来越重要的角色,LED 是固态光源,体积小、抗摔、耐震、无紫外、红外污染、寿命长,因此现在已经
逐步取代自炽灯、CFL节能灯等传统电光源。

总的说来,目前在大功率、高照明质量要求的场合,一般选择金卤灯作为光 源;对于大功率、质量要求不高的场合,可以选择汞灯、高压钠灯作为光源;而 对于小功率的照明场合,尤其是像光伏发电照明系统,可以选择高亮度大功率的
LED作为光源。

LED作为新型光源从特殊照明市场逐渐进入普通照明市场,市场前景极为 广阔。作为特殊照明光源的应用,白光LED已经显示出巨大的性能优势、强劲 的发展势头和迅速增长的市场需求。目前,国产商品化白光发光二极管的发光效 率已经达到501m/w,远远超过了151m/w的白炽灯,光效和601m/w的荧光灯相 近。日本企业近年计划量产1001m/w以一t的白光发光二极管,这一指标超过了 801m/w的稀土三基色荧光灯,逼近光效1401m/w的钠灯,就发光二极管的技术 潜力和发展趋势来看,其发光效率将达到2001m/w以上,超过当前光效最高的高 强度气体放电灯,成为世界上最亮的光源。因此,业界认为,半导体照明将创造 照明产业的第四次革命IⅢ1。
目前LED主要用于以下场合11 22II’纠11
24l:

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>景观照明市场:包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等,主要用于 重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家
居、休闲娱乐场所的装饰照明,以及集装饰与广告为一体的商业照明。

≯汽车市场:车用市场是LED运用发展最快的市场,主要用于车内的仪 表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯,车外的第三刹车灯、尾灯、
转向灯、侧灯等。

>背光源市场:LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子 产品及汽车,飞机仪表盘等众多领域。 >特殊工作照明和军事运用:由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封 性好,以及热辐射低、体积小、便于携带等特点,可广泛应用于防爆、 野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。

1.2光伏发电系统的分类
目前,人类直接利用太阳能有三大技术领域,即光热转换、光电转换和光化 学转换等。光热利用具有方便、低成本等优点,太阳能热水器、太阳能灶、太阳 能温室、 太阳能空调等、太阳能空调等,除此以外,还有光热电站,但是光热

电站存在的问题较多,国际上成功的例子不多;光化学转换在自然界中以光合作 用的形式普遍存在,但目前人类目前还不能很好地集中利用;光伏利用以电能作 为最终表现形式,具有传输方便、无污染、免维护、取之不竭、可存储性等方面 有强劲的优势。由于太阳能电池的原料一硅的储量十分丰富,所以随着太阳电池 转换效率的不断提高。生产成本的不断下降,太阳能光伏发电将在能源、环境和 人类社会未来发展中占据重要地位。国际上普遍认为,在长期的能源战略中,太
阳能光伏发电在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再

生能源中具有更重要的地位。这是因为光伏发电有无可比拟的优点:
(1)充分的清洁性; (2)绝对的安全性; (3)相对的广泛性; (4)长寿命和免维护性; (5)初步的实用性;

(6)资源的充足性及潜在的经济性等

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因此,在过去几年中,光伏产业得到了长足的发展。一般而言,光伏发电系 统是指利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。根据光伏 发电系统是否与电网连接可将光伏发电系统分为离网式光伏发电系统、并网式光
伏发电系统等。

1.离网式光伏发电系统I”71 离网式光伏发电系统输出的电力被直接负载消耗使用而不传送到公共电网
中,同时将多余能量储存在蓄电池中以满足夜晚或者阴雨负载的用电需求。 其组成框图如下所示:

图1.2离网式光伏发电系统 这种光伏发电系统的负载功率通常较大,为了保证可以可靠地给负载提供稳 定的电力供应,其相应的系统规模也较大,需要配备较大的光伏阵列以及较大的 蓄电池组,其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源,农村的集中供电, 航标灯塔、路灯等。 对于无法接入公共电网的偏远地区,离网式光伏发电系统是解决用电需求的
最完美的解决方案。较之于连接公共电网,它不仅能很大程度的节约安装成本,

而且还更加简便可行。对于农村地区尤其是发展中国家的农村实现电气化,以及 对于偏远地区的通讯系统、气象台或山地居民区来说,离网式系统起了至关重要 的作用。离网式光伏发电系统也能被集成于其它能源发电系统中,以便提供更可
靠的电力。例如互补型发电系统,其组成框图如下所示:

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图1.3互补式光伏发电系统

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互补式系统解决方案是由两种或多种新能源解决方案共同组成,可以是光伏 发电系统、风力发电系统、或者生物质能系统相互组合,或者共同组合而成。弥 补了光伏发电系统受环境变化影响较大造成的光伏阵列发电不足,或因电池容量 不足等因素带来的供电不连续。使用互补式光伏发电系统的目的就是为了综合利 用各种发电技术的优点,避免了各自的缺点。 对于那些无法接入电网而需要持续用电的客户而言,互补式发电系统是一种 完善的解决方案。组合的可再生能源解决方案可以是光伏发电系统、沼气发电系 统,也可以是风力发电系统或者是柴油发电机等能源,通过不同的组合可以确保 稳定而充足的电力供应。 2.并网光伏发电系统【128Ⅱ1291 这种太阳能光伏发电系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网 逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络,并网系统中太 阳电池阵列所产生电能除了供给交流负载外,多余的电力反馈给电网。并网式光 伏发电系统的安装类型大小各异,可以是功率为几千瓦的家用小型系统,也可以 是功率为兆瓦级的大型发电站。其组成框图如下图所示:

图1.4并网光伏发电系统

在阴雨天或夜晚,光伏阵列没有产生电毹或者产生的电能不能满足负载需求 时就由电网供电。因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储 能和释放的过程,可以充分利用光伏阵歹4产生的电力从而减小了能量的损耗,并
降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器,以保证输出的电力满足 电网电力对电压,频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题,还是会有部分的

能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流 负载的电源,降低了整个系统的负载缺电率。但是,并网光伏供电系统作为一种 分散式发电系统,对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响,如谐波
污染,孤岛效应等。

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1.3光伏发电照明的优势
目前大多数的室外道路照明、庭园照明均采用常规电源供电,例如城市主干 道通常用高压钠灯来照明。但是最近几年,伴随国内光伏产业的迅速发展,越来
越多的照明系统开始向光伏供电方向发展。与常规照明相比,光伏发电照明有着

很诱人的优势:
比较内容

光伏发电照明

常规照明

节能环保

资源取之不尽,使用清洁卫生,
有利生态保护

发电用煤或油,耗用有限资源,造

成环境污染,不利生态保护

投资与造价

价格高,一次投资大

灯具投资少,但需铺设电缆、管线, 总投资还是不低的

电费及电荒

不需电费,也不受外界供电限 制。如选用适当的蓄电池,连 续多个阴雨天仍可正常亮灯

需电费,且受限电拉电制约,不能

保证正常亮灯

需铺设电缆、管线,除一次性投资

电缆与管线



外,还须有保护电缆的措施和敷

设、维护的工程费用较高
除灯具基础外,尚需铺设电缆、管 线,回填工作量较大

灯具安装

仅需做灯具基础,工作量小

维护与防盗

蓄电池需维护更换(约1.2年更 换一次)

电缆防盗是个普遍存在的棘手问


一般采用(12~24)V安伞电

照明电压较高,如施T质晕有问 题、管线老化或与水汽管道冲突都 会带来安全隐患

安全问题

压供电,安伞可靠,对人体不
构成伤害

表1.2光伏发电照明系统与常规照明系统性能对比 由此可见,光伏发电照明具有节能性、经济性和实用性,具有广阔的市场前
景。


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1.4国内外光伏发电研究现状及发展趋势
目前国际上光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界 光伏发电量的80%;到2004年,世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9 M w,到2005年底,已达到4961.69
M W.已经商品化的太阳能光伏电池有单晶硅

电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池及薄膜电池等几类;光电转换效率也 逐渐提高,晶体硅光电池转化率达到15%,单晶硅光电池转化率是23.3%,砷化 镓光电池是25%,在实验室中特制的砷化镓光电池已达35%.36%,且随着技术进 步,光伏电池^组件使用寿命大大增长,可用30多年;在国际市场上,太阳能光伏 电池的价格大约为3.15美元/w,并网系统价格为6美元/W,发电成本为O.25美 元/(kW?h);专家们预测到2050年,光伏发电在发电总量中将占13%~15%。 20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期,在这一时期我国光伏 组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加, 2004年累计装机容量达35 Mw,约占世界份额的3%。到2020年前,我国光伏 技术产业将会得到不断的完善和发展,成本将不断下降,光伏市场会发生巨大的 变化:2005.2010年,我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统,发电成本
到2010年将约为1.20 fr.,/(kW?h);2010-2020年。光伏发电将会由独立系统转向

并网发电系统,发电成本到2020年将约为0.60f-t.J(kW?h)。到2020年我国光伏 产业的技术水平有望达到世界先进行列。

1.5本课题的研究意义及主要工作
伴随国家“节能增效”的号召,光伏发电照明得到了越来越多的企业和科研 院所的关注,市场上出现了很多的诸如太阳能路灯等的太阳能产品,但是目前国 内企业开发能力较为欠缺,由于其技术水平、科研经费的不足,导致了其产品性 能的不可靠和质量的不稳定。这在~方面使得国内的太阳能利用技术停滞不前, 并且造成相关工程项目的夭折;另~方面,鉴于国内技术水平的不足,企业纷纷 从国外引进技术,或者直接买进控制电路,或者与外方技术合作,这对民族产业 的壮大、国家的自主创新构成了严重的威胁。并且,国外的产品质量也众说纷纭, 其性能也没有得到相关权威机构的认证。因此,自主开发、研制出新一代太阳能 光电产品势在必行。同时,独立光伏发电LED照明系统涉及太阳电池特性研究、
半导体照明、蓄电池管理等方面的内容,对于并网光伏发电系统的研发也有一定 的参考意义。 本课题对太阳电池的特性、光伏发电系统中太阳电池的最大功率点追踪策略

以及LED光源的驱动进行了初步的研究。

10

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文章的第一章首先介绍了太阳能的利用情况以及光伏发电系统的分类,并比 较了光伏发电照明与常规照明各自的优缺点;
第二章则对光伏发电照明系统的组成做了详细的阐述,考虑到系统中太阳电

池以及蓄电池的价格较为昂贵,作者在本章同时分析了系统容量的配置问题; 第三章中首先对硅太阳电池的电路模型进行了研究,通过对硅太阳电池等效 串、并联电阻不同阻值的仿真,分析研究了它们对太阳电池输出特性的影响过程, 对大功率硅太阳电池光伏阵列的封装具有一定的指导意义; 第四章对太阳电池组件的输出特性以及最大功率点追踪策略做了进一步的 分析,提出了~种以蓄电池的充电电流为状态观察最的扰动观察法追踪策略,控 制系统具有结构简单、性能可靠、成本低廉的优点;并在此基础上提出了一种定 时复位的最大功率点追踪策略,该策略能够适合环境变化缓慢的场合;再次研究 了硅太阳电池阵列的电气特性,对硅太阳电池阵列使用过程中的“热点”问题以 及功率曲线多极值点问题进行了详细的分析,并提出了一种依靠环境变化来触发 新的扰动观察法最大功率点追踪策略,能够有效识别输出特性中的次最大功率 点、最大功率点,避免了不完全光照造成的功率损失以及追踪失效问题,提高了 硅太阳电池阵列的利用率,该策略同时能够减少常规扰动观察法追踪过程中功率 振荡所造成的能量损失,并能根据外界环境变化情况进行新的功率搜寻;最后研 究了LED光源的数字驱动以及节能运行电路,设计了~款白天灭灯、夜晚亮灯、 高性价比的数字控制LED驱动电路。
第五章对本文进行了总结和展望。 参考文献t
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浙江大学硕士学位论文

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12

浙江大学硕士学位论文

第二章光伏发电照明系统的配置
独立光伏发电照明系统主要由太阳电池、储能蓄电池、光源以及控制电路等
组成口1】12 21。控制电路完成蓄电池白天充电、夜间放电管理,太阳电池的最大功

率点追踪,光源的驱动以及其他相关的控制保护功能等。
系统组成框图如下图【2 3l所示:

图2.1独立光伏发电照明系统的组成框图

其中的MPPT为太阳电池的最大功率点追踪控制电路,实现太阳电池的最
有效利用,提高系统整体性能价格比。

为了系统能够最有效运行,必须对各个组成部分作合理设计。

2.1太阳电池配置
(1)太阳电池的选用
硅是地球上极丰富的~种元素,几乎遍地都有硅的存在,最早问世的太阳电 池便是单晶硅提炼制造出的‘2 41。用硅来制造太阳电池,原料上占有优势,但是

提炼它却比较困难,所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时,又研究了多晶硅太 阳电池和非晶硅太阳电池以及其他材料的太阳电池。 大部分的太阳电池是利用半导体的光生伏特效应制作的,许多材料都可以用 来做太阳电池,随着材料工业的发展、太阳电泡的品种也越来越多,目前已进行 研究和试制的太阳电池,除硅系列外,还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型 的太阳电池,但是由于材料本身的性能差异,不同种类的太阳电池的光电转换效
率不尽一致,如下表【2 5】所示:

浙江大学硕土学待论文

太阳电池种类 结晶态

半导体材料 单晶

单体效率(%)
24.7 20.3 9.5 25.1 16

硅太阳电池

多晶 非晶态 IⅡ一V族
a—Si
GaAs,AIGaAs

化合物半导 体太阳电池

lI一Ⅳ族 其他

CdS,CdTe CulnSe2, CulnS2

19

注:上述数据来源于www,interscience.wilev.com

表2.2太阳电池种类对比

考虑到市场取向、产品应用前景等方面的因素,一般要求用来制作太阳电池 的材料具有以下特性12 ≯转换效率高 ≯制造能耗小,能量回收周期短
≯制造成本低 ≯原材料丰富

6112

7】:

电池使用寿命长

》无公害
鉴于上述要求,目前国内外市场上晶体硅太阳电池所占的比例很大,约占市

场份额的90%以上。单晶硅太阳电池转换效率高,所以发展速度较快,但是由
于其制造工艺复杂,需要消耗大量资源,所以有成本高、能源回收周期长的缺点;

非晶硅太阳电池则具有生产效率高,成本低廉,但是转换效率较低,而且效率衰 减得比较厉害;多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率,而且性能价格比高; 因此目前的硅太阳电池市场以多晶硅太阳电池为主导。 本文即选择了多晶硅太阳电池。 (2)太阳电池的容量计算∞I 在太阳电池容量配黄上,考虑到太阳电池组件的价格较贵,方阵容量采用了
按近期负荷配置,可以减少一部分费用。

配置的基本原则在于方阵每天得到的电能等于或者略大于负载平均每天所
消耗的电能。但是考虑到太阳电池的输出能量与季节性有着密切依赖关系,夏秋

浙江大学硕上学位论文

两季节输入能量较多,而冬春两季输入能量较小,设计方阵容量时需要考虑一定
的裕量。

总的说来,在设计太阳电池容量时需考虑以下参数: 1.太阳电池组件的特性,其中包括开路电压、短路电流、额定功率等; 2.安装点年总平均辐射量:
3.年日照时数、最低最高气温;

4.负载要求的电压、电流、每日的用电时数等 在该照明系统中,负载选择为大功率的LED光源,其额定功率为10×1W; 夜间平均照明时间为第一、四季度约12小时,第二、三季度约10小时。为保证 太阳电池在全年都能为负载可靠供电,为此假设每天平均有效光照时间为5小 时,则太阳电池所需功率值:

名=譬+k∽
k为安全系数;

其中:T1为照明时间,T2为当日有效光照时间;

PLED、P。分别为光源、太阳电池的功率;

因此,按式(木)计算,选择2X 15W多晶硅太阳能板,连接形式为串联连接。 安装时,须将太阳电泡板朝向南方,全国各大城市倾角表‘2‘11】如下所示: 城市 哈尔滨 纬度0
45.68

最佳倾角lI,
0+3 0+1 0+4 0+5 0+3 0+5 0+12 0+1

沈阳
北京 天津 呼和浩特 太原 乌鲁木齐 西宁

41.77
39.80

39.10

40.78

37.78

43.78

36.75

浙江大学硕上学位论文

兰州 银川 西安 上海 南京

36.05

0+8 O+2 O+14 0+3 0+5 0+9 0+3 0+2 0+4 0+6 0+7 0+7 0+6 0—7 0+12 0+5 0+2 0+8 O一8 0—8

38.48
34.30

31.17

32.00
31.85

合肥
杭州 南昌 福州 济南 郑州

30.23

28.67 26.08
36.68

34.72 30.63
28.20

武汉
长沙一 广州 海口 南宁 成都 贵阳 昆明 拉萨

23.13 20.03 22.82
30.67

26.58 25.02 29.70

表2.3全国各大城市太阳能电源方阵最佳倾角表

2.2蓄电池配置
(1)蓄电池的选用



浙江大学硕上学位论文

太阳电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。它不仅要完成白天的储能功

能,还要在夜间向负载供电,要求它的容量比负载所需的电量大得多,且容量与 环境温度、放电电流有关。考虑到太阳能照明系统的特殊性,要求蓄电池工作寿
命长且维护简单12
10112。13112?14】12”1。

尽管20多年前诞生的阀控式密封铅酸蓄电池在蓄电池领域占据卓越的地 位,它同样有很多限制,比如重量大、低能量体重比等等。随之而来的许多研究 把重点放在其他替代的电池系统,比如锂离子电池、金属氧化物镍电池等。这些 新的材料同样有自身内在的限制,包括原材料的成本和不稳定性、快速自放电, 金属材料毒性和循环利用问题,而铅酸蓄电池的循环利用率基本超过了95%。 铅酸蓄电池和其他应用较广的化学电池,包括镍镉/镍氢电池,锌银电池,锂离 子电池等在电化学性能以及价格方面的比较见下表【291:

电池类型

单体电池
电压(V)


质量能量密 度(Wh/kg)
35

体积能量密 度(Wh/1)
60.70

自放电率

循环寿命 (25%放电)
500

(吲月)


密封铅酸 镍镉
镍氢 锂离子

1.2

40—50

80.125

15

2000

1.2

50.60

lOO一170

30

600

3.5

140.200

300.400



350

表2.4电池性能对比

从表中可以看出,和其他电池相比,铅酸蓄电池的重量比能量、体积比能量 不如镍镉、镍氢、锂离子等电池,但它的性能价格比仍有很大优势12 11】f2121,特 别是作备用电源、储能电源和动力电源等应用领域,由于铅酸蓄电池容量大,大 电流放电性能好,无记忆效应,价格便宜,因此本文选用铅酸蓄电池。 (2)蓄电池容量计算‘2
s1

本系统中选用的配套蓄电池为耐过充过放性能好的阀控式密封型蓄电池,容 量B。应按下式计算:


Bc=(睡+÷以+nO,)at

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式中:

4一蓄电池附加容量,其值由一年内方针发电容量(Ah)低于负载

耗电容量(Ah)月份的累计值来计算;

三6.
2‘一蓄电池剩余容量的补偿:

G一负载平均每天的耗电容量(AH); 聍一最长阴雨天5 廊一环境温度的修正系数,如下表所示 环境温度 40 25 lO O
(℃) dt
1 1 1.02 1.05

—lO 1.09

一20

1.2

表2.5环境温度的修正系数表 但是对一些用电要求不是很严格的场合,工程上~般进行如下估算:

Be:竺型


式中:I一负载电流;
Ts一连续阴雨天时间(小时): K一蓄电池容量允许放电的最大百分数; 1.2一安全系数 除了以上因素外,放电率与电池的容量也有密切关系:蓄电池放出的容量随 放电电流的增大而减少。例如lob放宅率可放出容量的100%,20h放电率则可 以放出容量的105%,而3h放电率只能放出75%的容量,lh放电率则降为容 量的52%。 在该系统中,LED光源的功率不大,蓄电池放电电流较小,凶此综合考虑 以卜田豢,选择蓄电池的容量为100Ah。

2.3

LED光源配置
(1)LED的选用 目前的白色LED可以划分为两种类犁,即单晶和多晶型12‘16lf217112。181,前者

往往由单色LED芯片以及反射体组成,后者则通常由3种单色LED组成。关于

发光原理以及各自的优缺点如表l所示。

浙江大学硕上学位论文

芯片类型

发光源

发光层与荧 光材料

白光发光 原理

优点

缺点

蓝色LED

InGaN腿娲
黄色荧光体

蓝光激发黄 光荧光体

成本低、 电路简单

光效偏低、 显色性差

单晶型

紫外光LED

RGB三色 荧光粉

紫外光激发 RGB荧光 粉

光效差、寿

显色性高

命短、成本


多晶型

RGB型LED

InGaN、
A11nGaP

组合三原色
LED

光效高、显 色性好

成本高、电 路复杂

表2.6白光LED的原理及其性能对比

单晶型自光LED光源的驱动较为简单,一般采用恒压或者恒流形式的DC/ DC电路,同时也较容易实现调光,但是照明效果较多晶型LED差。 多晶型白光LED则具有单晶LED无可比拟的优点,它是通过红、蓝、绿三 种颜色LED的不同比例混合而成,色彩鲜艳,数字RGB控制系统通过调配红、 绿、蓝三种LED发出光的强度,在一定温度范围内和在LED整个寿命周期内都 能达到不同亮度不同颜色不同色调的光输出。 但是,作为RGB型白光LED驱动电路,光色控制电路是其核心之一,利用 光电二极管对三种颜色光进行采样,然后利用DSP及复杂的控制算法完成对三
种光的混合从而最终达到对光的强度,颜色和色调的控制。三个光电二极管分别

对三种颜色进行采样,并转化为电信号,经放大滤波后分别进入三个PWM转换 器,控制电路对三个采样信号进行软件处理后通过对PWM的调节控制以达到对 流经三个LED电流的控制,进而完成对光最终的强度,颜色和色调的控制。
典型的控制电路如下图口1”22’所示:

19

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散热板

一。’驱动电路’ 一-嚣嚣,

凰二◇
l:;

光 强

采 集
电 路

图2.2 RGB型三基色LED的驱动电路

一———1…一—L—~i…——

:;一………1}2} ,1…控制…—L_—一二:! }一__嗍电路l^Dc一—』l

…一;!

由上述驱动框图可以看出,多晶型白光LED的驱动比较复杂,而且合成白 光的红、绿、兰单色光的光色随温度、材料老化的影响不尽相同,这对多晶型白 光LED颜色上的一致性带来了挑战。
(2)LED的连接形式

LED的连接形式有串并连和矩阵式连接∞2忉种:

组A

组B

组C

组D

(b)

图2.3 LED灯串的连接形式

浙江丈学硕上学位论文

图a中A、B、C、D灯串的电流分别由一只电阻来进行调节,而图b则由

一只共用电阻来进行干路电流的调节。 图a的串并联式调节方式的优缺点为:
某只LED的损坏,将影响该串LED的正常运行;

但是对其他串的运行不造成任何影响;且由于该串的故障造成的干路电流锐 减,使得故障检测电路的可靠性提高;
图b所示矩阵式调节方式的优缺点有: 如果有一只LED损坏,其他LED仍旧可以工作;

电路设计简单,电阻元件较少; 但是某只LED的损坏将使得该支路的电流分配到同组其他几只LED中,从 而导致同组其他LED灯的电流变大,进而温度上升较快,造成损坏,且组中的 LED数目越少该现象越明显; 因此,本文采用了串连连接的单晶型LED作为系统照明光源。

2.4控制电路设计
系统涉及到两部分控制电路的设计:太阳电池对蓄电池的充电电路设计以及 蓄电池对LED光源的放电电路设计。 充放电电路设计 为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充放电条件加以限制,防止蓄电池 过充电及深度放电,另外,由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,光伏 发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳 能灯具的设计来说,成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败。没 有一个性能良好的充放电控制电路,就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。
充放电电路必须实现以下功能: ●最大功率点追踪12
23】

常规的将太阳电池直接通过防反充二极管对蓄电池充电的电路往往会将太 阳电池的输出电压嵌位在蓄电池电压上,这也就限定了太阳电池的输出功率,造 成了能量的浪费‘2“1,因此必须对太阳电池的输出电压做必要的控制,使得其输 出电压在合适值,进而使得此时输出最大功率值附近,即太阳电池的最大功率点
追踪(Maximum Power
Point

Tracking,简称MPPT)。

2l

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●LED光源的驱动设计

根据调节参数的不同,可以分为电压型以及电流型控制两大类。 电压型控制的是LED的端电压,通过线性或开关电源,采取电压负反馈, 使得输出电压稳定在预设值上。但是仅仅调节其端电压的话易使LED由于电流 超出范围而损坏,因此,在这类驱动电路的设计过程中,必须考虑到最大电流, 同时给予控制,使得在电流达到预设值后切断能量传输途径,保护LED免受损
坏。

但是电压型控制有着较为明显的弊端,就是由于电流值域的不确定,易使L ED光的一致性变差以及光衰现象加重,电流型控制是能够排除此类问题的有效
方法。

电流型控制的是流经LED的电流,它通过采样输出电流,与基准值进行比 较,并对开关管做通断控制,从而使得输出电流稳定在预设值上。这种控制方法, 避免了灯的光衰现象,但是仍然存在弊端,即当输出由多个LED进行并联的时 候,如果其中一只LED损坏而断路,那么由于电流基准值未变,从而导致流经 每只LED的电流增加,可能导致由于过流而损坏。 ●防反充电控制 防止反充电功能,也就是说为了防止夜间或者光照不足的条件下,太阳电池 电压低于蓄电池电压,蓄电池向太阳电池放电的情况。
●防过充电控制

防止过充电功能,也就是说在蓄电池已经储能完成后,要切断充电回路。可 以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管,电路控制晶体管的开关,将多余 的太阳能电池能量通过晶体管泄放,保证没有过高的电压给蓄电池充电。
●防过放电控制

铅酸蓄电池一般都要具有防止蓄电池过放电功能,因为会造成蓄电池过放电 永久性损坏。需要注意的是,太阳电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电,所以
放电截止电压不宜过低。

除了上述功能,充放电电路还要实现相关的节能控制,譬如天亮灭灯、凌晨 半功率运行等功能。 电路拓扑选择‘2∞1
1、放电拓扑选择

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由于负载为串联的LED,其端电压较蓄电池要高,因此放电拓扑选择BUC K-BOOST,但是该电路的缺点是电路的输入、输出不是同一个地。
2、充电拓扑选择

由于太阳电池的开路电压较蓄电池的电压高,选择BUCK主电路拓扑,同 时该电路还有以下几个优点: 开关管工作故障时,仍然可以实现对蓄电池的充电; 蓄电池端电压变化缓慢,因此MPPT控制电路设计较为简单:无需乘法器 或者乘法指令进行乘法运算太阳电池的输出功率,只需采样蓄电池端的电流变化 情况即可,这是因为在效率为100%的情况下,太阳电池的输出功率等于蓄电池 端的功率,其变化情况与蓄电池的充电电流变化情况成正比。
根据以上分析,系统配置如下:

选择了免维护铅酸蓄电池,容量为100Ah,额定电压12V;光源选择为lO ×lW的单晶白光LED,串联连接形式;多晶硅太阳电池,型号为Bn-15D,标
称功率15W,开路电压21.5V,短路电流O.97A。

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浙江大学硕士学侍论文

第三章硅太阳电池特性及MPPT策略的研究
3.1硅太阳电池特.巨研究
3.1.1光生伏特效应

硅太阳电池利用光生伏特效应…Ⅱ321【33垛产生电能,利用光电效应制造出的
太阳电池,其结构如下图所示:

图3.1硅太阳电池的封装结构 从上图可以看出,硅太阳电池是由P型层、N型层半导体;正电极板、负电
极板;以及光子吸收层,防反射层等组成。

半导体的光生伏特效应可以简单叙述如下:当表面有光时,某些光子的能量 被半导体吸收,让电子从价带跃过能隙至导带,从而成为自由电子,在内建电场
的作用下,电流通过金属端子向外电路供电。

光生伏特效应一般而言是指光子射到半导体PN结后,二极管两端电极间产 生电压的现象。
这个过程包括以下三个过程: 1.光射到半导体内产牛电子一空穴对;
2. 3.

电子和空穴因半导体PN结形成的内建电场作用而分离; 电子和空穴在内建电场作用下,往相反的方向各自传输至两端电极,从
而实现能量的输出。

以硅太阳电池为例,N型硅是指加入V族的元素,提供电子。P型硅则是指 加入III族的元素,提供窄穴。因此半导体便可以有四种带电荷的粒子:带负电

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荷的电子,带正电荷的空穴,P区的负离子,N区的正离子,前二者是可动的,
而后二者是不可动的。未接触前,N型或是P型半导体都是维持各自的电中性;

两者形成PN结后,在结附近,电子会从浓度高的N型区扩散至浓度低的P型区, 而相对地,空穴会从浓度高的P型区扩散至浓度低的N型区。因此,在结附近 的区域,其电中性便会被打破。N型区在结附近会有施体正离子裸露而产生正电 荷区,而P型区在接面附近会有受体负离子裸露而产生负电荷区。N型区正电荷 区和P型区负电荷区就总称为空间电荷区。因为施体正离子和受体负离子都是固 定于晶格中,因此N型区正电荷区和P型区负电荷区就会形成一个内建电场, 这空间电荷区的内建电场其方向是从N型区指向P型区。如果入射光子在空间 电荷区被吸收产生电子.空穴对,电子会因为内建电场的影响而向N型区漂移, 而相对地,空穴会因为内建电场的影响而向P型区漂移。也就是说,入射光子在 空间电荷区被吸收产生电子和空穴,因为内建电场的影响而产生从N型区向P
型区的漂移电流,就是所谓的光电流。

光伏特效应中的光电流,其流向是从N型区向P型区,这对PN二极管而言,
这刚好是反向偏压的电流方向。

3.1.2硅太阳电池的模型研究
根据以上分析可知,在硅太阳电池中,有光生伏特电流以及二极管的正向电

流,如下图所示:

负载电流

图3.2硅太阳电池中的电流示意图
基于此,出现了几种比较典型的太阳电池等效电路,

在无光照的条件下,太阳电池就等效于…只_极管,

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图3.3无光照时硅太阳电池等效电路 其电流.电压关系可表为:

,=Is?exp(等-1)
其中I代表电流,v代表电压,Is是二极管反向饱和电流,其中K代表玻 尔兹曼常数(K=1.38×10—23J/K),q是单位电量(q_1.6×10一19c),7'是温度(单
位:开尔文)。

在有光照的条件下,将产生光电流IL,从而使其等效电路转变为图3-4所
刁斥:






M埘e唰鲁-1)

()



—_

图3.4有光照时太阳电池等效电路I 其电流.电压关系就是理想二极管加上一个负向的光电流。。,因此:

光生伏特电流^=[k+巧(71一es)]x7100
其中: Iscr为在参考温度下,在Ikw/m2光照条件下的短路电流; Kl表示太阳能板的短路电流的温度系数(mVfC); A表示太阳的日照强度(kW/mz)

考虑到任何半导体材料、电极材料本身,或是半导体与金属电极之间的接触, 无可避免的都会有或多或少的电阻,因此就会而形成光电池组件的串联电阻。另

浙江大学硕士学位论文

一方面,由于PN结不完全,光电池单体的正负电极间,存在非经由理想PN二

极管的其它电流的通道,都会造成所谓的漏电流,因此就形成了旁路电阻,也成 为漏电电阻。~般在太阳电池模型建立的时候,将其称作并联电阻,从而使得光 电池的电路模型进一步等效为图3.5所示t34"5l:

”…






()

妻胁




图3.5有光照时的光电池等效电路1I 太阳电池的电流.电压关系则可写成:

协彬{cxp吗≯】.1卜V+矿IRs
但是在对太阳电池输出V--I拟合过程中,单二极管模型并不理想,为此为 了进一步精确建立光电池的电路模型,需要考虑光电子产生电子一空穴对后,电
子空穴对在体区或者表面以及在空间电荷区的复合过程,这将导致光电流的损 失,为了表征该过程,可以将这一过程在电路中用另外一只二极管来表示,从而 使其模型变为图3.6所示:





( )∈ :,

丰。。:”” 三

图3.6有光照时的光电池等效电路III 太阳电池的电流.电压关系则可写成:

,=五一厶+{exp[.q(V觑+17’IRs)?】-1}一厶+{唧.[q(尉V+21丁Rs).1一l}一1V+=-]Rs
其中AI、A2分别为太阳电池的理想因子,取值为1~5。

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从上述太阳电池的输出表达式可以看出,其模型的数学表达极为复杂,且参 变量很多,关联关系也比较复杂:且在实际应用中,太阳电池的输出更是由现场 的很多因素共同作用。 3.1.3硅太阳电池的输出特性分析研究 由上述分析可知,太阳电池并不是一个稳定的电源,其输出的电压、电流是 关联的,且关系是非线性的,而且输出参数随外界的光照条件、温度变化明显, 输出短路电流随光照条件的增强而增大,而开路电压受光照条件影响较小;开路 电压随外界温度升高而减小,而短路电流受温度影响较小;除温度、光照的影响 外,电路负载也对太阳电池的输出造成较为显著的影响。 随着光照条件的改变,太阳电池的输出V-I曲线如图所示:
2点

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0 0 0.1 0.2 03 0.4 0.5


0.6

0.7

0.8

电压 图3.7输出随光照条件的改变情况 从上图可以看出,太阳电池的输出短路电流随光照条件的增强而增大,而开

路电压受光照条件影响较小; 随着外界温度的改变,太阳电池的输出V-I曲线如图所示:

浙江大学硕i学位论文


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0.1 0.2
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0.4

O.5

0.6

电压

图3.8输出随温度的变化情况 从上图可以看出,太阳电池的输出开路电压随外界温度升高而减小,而短路 电流受温度影响较小; 而输出特性随外接负载的变化情况如下图所示:

图3.9输出随负载的变化情况

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从上图可以看出,太阳电池的输出电参数随电路负载的调整而出现较大的变 化:负载阻值越小输出电流越大,输出电压却越小;负载阻值越大输出电流越小,
输出电压却越大。

除了上述的温度、光照、负载影响太阳电池的输出V-I外,太阳电池的等效 串并联电阻对太阳电池的输出V-I有很大的影响。下面分别对其影响结果进行分 析、研究。
Rs对输出特性的影响

在温度、光照不变的前提下,设并联电阻Rsh为一,则根据太阳电池的等效 电路,可得其输出关系式为:

I--/L一/s+{唧畔笋】-1)
下面对凡分别为0、O.05、O.1,0.2欧姆等值进行了分析,其输出特性如下
图所示:

Rs=0

——y1 ——扫



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1.5

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0.3

0.4

0.5

\浏|
0.6

0.7

电压

图3.10等效串联电阻对太阳电池的输出特性影响
从卜图可以看出,RS变大将会影响太阳电池的输出偏离理想曲线,使短路 电流Isc下降,但对太阳电池的开路电压影响较小;

‰对输出特性的影响

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在温度、光照不变的前提下,设Rs为0,则根据太阳电池的等效电路,可得
其输出关系式为:

,=五圳【exp苦一11一面V
对R5h分别为oo、1000、500、100欧姆等值进行了分析,输出特性如下图所
示:

图3.11等效并联电阻对太阳电池的输出特性影响 从上图可见,Rsh变小也将使得太阳电池的输出特性偏离理想曲线,使得反 向漏电流变大,开路电压Voc变小,但对短路电流的影响较小。 根据以上分析结果知,当等效并联电阻降到100欧姆以下时,太阳电池的输 出便发生了巨大变化;当串联电阻在O.1欧姆以上时,太阳电池的输出特性也即
发生变化。

3.2硅太阳电池最大功率点追踪策略研究
从上节可以看出,太阳电池的输出是一个随着温度、光照以及负载等因素变 化的量,当光照强度逐渐变强时,太阳电池的短路电流也将逐渐增大(如图3.12a 所示),但是开路电压变化不大;当外界环境温度升高时,太阳电池的开路电压
降低(如图3.12b所示),但是短路电流变化不大。

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35



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2 1,5

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(a)硅太阳电池P.V、Ⅵ随光照变化情况

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2 1.5

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电压

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0.3

孵飞

0.7

m3.12(b)硅太阳电池P.V、V-l随温度的变化情况
从太阳电池的输出V_I,P.v曲线上可以看出:在某个温度、某个特定的光

照条件下,硅太阳电池的最大功率点是变化的,这对最大功率点追踪(Maximu

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m Power Point

Tracking简称MPPT)策略提出了要求:必须实现硅太阳电池在

特定光照、温度、负载条件下的最大功率输出。 而传统光伏系统中的充电电路如下图‘3卅所示:

图3.13传统充电电路

电路如果这样对蓄电池进行充电时,将使得太阳电池的输出稳定在蓄电池电 压12V左右,这将使得太阳电池的工作点稳定在下图的P啪。点:

I——P-Vl
Pmax 20 ≯” ‘、■’:

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耱 雷
10

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Vm j,、犯 ltie W

















10

12

14

电压 图3.14传统充电电路中硅太阳电池的工作点

可见,此时太阳电池的输出功率远远小于此时太阳电池能输出的最大功率P
。。。,造成了能量的浪费,从而不能最大程度利用太阳电池。在太阳能板价格较 为昂贵的今天,没有哪个企业是可以容忍的,因此,必须对太阳电池的工作过程 进行控制,使其输出在最大功率点,这就是最大功率追踪策略。

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进行太阳电池的最大功率点追踪,有以下两个显著的优点: 1.减少太阳电池的瓦特数,降低系统成本;
2.可保证蓄电池能充满,延长电池寿命,提升系统性价比;

由以上分析可见,进行最大功率追踪研究是很有必要的。目前,关于MPPT 策略的研究,已经出现了很多方法,主要有恒压追踪法、扰动观察法、增量电导 法、开路电压法、短路电流法、实际测量法等。 3.2.1恒压追踪法 恒压追踪法是太阳电池最大功率点追踪方法中较早期的策略之一,也是最为 简单的一种B7]13 8】【39】【3…。





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0.7

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0.2

0.4

0.5

电压 图3.15恒压追踪法MPPT

它是根据电路设计者的经验,而求出此时系统中太阳电池的最佳工作点,进 而进行功率追踪实现晟大功率运行。其优点是电路简单,但是不能自动实现功率 追踪,在温度、光照条件改变时,太阳电池的输出功率远远不能达到标称功率, 从而引起了能量的浪费。改进型的恒压追踪法有以下三种: 1.随季节变化进行人’1:手动调节,但是这种控制方法实施起来较为麻烦,
而且调节过程粗糙;

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2.用微处理器查询外界状态,然后进行查表操作,根据特定温度、光照条 件下的对应值进行控制,这种方法较前者方便,但是没有考虑太阳电池 老化等带来的最大功率点的漂移影响;
3.

电池参考法。这种方法用一块较小功率的太阳电池作为参照物,根据其 开路电压情况,按照一定比例换算出系统电池的最佳工作电压。这种方
法的控制效果得到了一定的改善,但是功率损失还是比较大,对系统成 本也造成了不必要的浪费。

3.2.2扰动观察法 扰动观察法是进行太阳电池最大功率追踪的比较常用的控制策略,且控制效 果较理想。它是基于太阳电池的输出功率一电压曲线而形成的一神策略口¨。22】:
2.5






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1.5


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0.2

0.4

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电压 图3.16扰动观察法MPPT

扰动观察法通过扰动太阳电池后级DC变换电路的工作占空比或者直接扰 动太阳电池的输出电压(如上图中的VI、V2、V3、V4),然后观测太阳电池输出 功率(如上图中的Pl、P2、P3、P4)的变化,直至输出功率的变化趋势改变,即 输出功率由大变小或者由小变大。
软件流程图如下所示:

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设定占空比初始值口


计算太阳电池的输出 功率Pbefore

图3.17扰动观察法流程 注:其中的Pk№,Pn。分别为前一个采样周期和当前周期太阳电池的输出功率值 扰动观插的逻辑判断表如下
占空比扰动方向
+ + + +

输出功率变化


下一步扰动方向


表3.1扰动观察法的扰动逻辑
注:+、一分别表示对应参数的增加、减少

37

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可以看出,扰动观察法不断采集当前输出功率,同时与上次采集量进行比较,
不断进行占空比的扰动观察。 其优缺点如下表所示: 优点 缺点

太阳电池最大功率点的搜

电路结构简单

寻速度与搜寻的精度不能 兼顾

光照、外界温度条件改变 需要测量的参数较少,无 时,最大功率追踪过程容 需DSP,且无需进行复杂
的逻辑判断

易混乱,导致功率点追踪

失败

电路最终的工作点并不是 最大功率点,而是在其附 成本较低,易于实施 近不断扰动,这将引起太 阳电池输出功率振荡,造 成能量损失

表3.2扰动观察法的优缺点比较 通过以上所述可以看出:扰动观察法控制简单,元器件较少,因此经常被采 用。但是,在稳定状态时,电路的工作点在最大功率点左右摆动,这将导致其输 出功率的损失,且扰动步长越大功率损失也就越多,虽然这一弊端可以通过减小 扰动步长来缓解,但是这将造成寻找过程时问增长,在要求快速响应的场所(空
间电源)中,这种控制策略略显不妥;且在天气快速变化的场合,扰动逻辑容易 混乱,如下图所示:

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鬈1.5


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0.4

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0.1

0.2

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0.5

电压 图3.18扰动逻辑混乱示意图



0.6
≮o《

“一#i。豫*i

,#*

在某一时刻,太阳电池工作在曲线1的A点,假设这个扰动周期的扰动方
向为增大太阳电池的输出电压方向,下面来分析其寻找过程。 随着光照的增强,输出的P—V关系由曲线1转移到曲线2,由于B点功率

比A点大,所以最大功率点寻找逻辑将继续按照原寻优方向即增大参考电压方 向移动,进而工作点转移到曲线3的C点,曲线4的D点。由此可见,扰动逻 辑判别错误,出现了扰动混乱的现象。虽然在最终光照稳定的时候,扰动逻辑恢
复正常,可以寻找到此时的最大功率点即E点,但是在寻找过程中的功率损失 却是不可避免的。

3.2.3增量电导法 从本质上讲,增量电导法仍然是一种以扰动太阳电池的输出电压来进行太阳 电池最大功率点追踪的一种策略,它是根据在MPP时太阳电池的输出功率对电
压的微分为0而被提出来的‘3 2n冽。

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?.‘删,万dP=0;
7.j+矿‘all:0:
dV 即: dl
d矿 l V


P=V01

G=—G

由下图可以看出,在P—V曲线不同部分,其增量电导与电导的大小关系不
同,这也正是增量电导法的原理。

■一V.1
....:一P-V





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1.5







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0 1



0.2

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G矿1
0,3

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e=-d(i

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…1
电压



图3.19增量电导法原理 根据G、△G的关系做判断,逻辑表如下所示: 逻辑表达式
G=一A G G>一△G G<一△G

状态 MPP点 MPP寿侧 MPP右侧

操作 无操作 参考电压右移 参考电压左移

表3.3增量电导法的判断逻辑

实际操作过程中,通常对增量电导作以下近似:
40

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图3.20增量电导法软件设计流程
注:其中的V*。、V时分别为扰动步长以及太阳电池工作的电压参考。

这种MPPT策略的优点是:

4I

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优点

缺点

工作点在最大功率点,避免
了扰动观察法中的功率振荡 系统结构复杂,成本较高 所引起的能量浪费

需要对电导、增量电导做计

算,后续仍要进行复杂的逻 在光照温度等外界条件改变 辑判断,往往要借助DSP来
的情况下,适应性较强 实现,符合G=一△O的几 率时很小的,实际过程中仍

然存有功率损失

表3.4增量电导法的优缺点比较 由于计算和逻辑判断的复杂性,增量电导法往往被用在由DSP控制的电路 中,因此计算速度很快,即使在光照快速变化的环境下,也不会出现扰动观察法
中的追踪混乱的情况。

3.2.4实际测量法
为了减少电压追踪法中的设计者主观经验数据带来的误差,产生了一种根据

外界气候条件变化而不断变化工作电压的太阳电池最大功率追踪策略一实际测
量法13311,这种方法是利用额外的较小的太阳电池,建立太阳电池在此刻温度和 光照条件下的模型,求出最大功率时的电池电压、电流,从两给出系统最佳工作 时所要求的电气参数。

图3.21实际测量法框图

浙江人学硕上学位论文

这种方法的优点是可以避免因太阳能板以及元器件老化造成的参考模型失 效等问题,但是需要额外的太阳电池以及检测、控制电路等,这无疑增加了系统 的成本和控制电路的复杂性,因此这种实际测量法往往不能应用于低成本的光伏 系统中。 3.2.5纹波扰动法
这种寻找最大功率点的方法,能够在较短时间内寻找到最大功率点,能够适

应光照、温度快速交化的场合【35¨5甜。 它利用开关电源电路固有的纹波来进行占空比的扰动。对于开关电源电路, 不可避免地出现开关纹波,通过观察太阳电池的输出功率一电压(P—V)曲线, 可以看出在最大功率点右侧,太阳电池的的输出电压几乎不变,其P、V、I曲 线示意图如下图1所示;在MPP左侧的输出电流几乎是不变的,其P、V、I曲
线示意图如下图3所示:





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"Fane(蝴
(a)工作点位于最大功率点右侧

Tane(us)

(b)最大功率点

43

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T釉lIls)
(c)I作点位于最大功率点左侧

图3.22三种不同占空比情况下的输入参数情况 以下以BOOST电路为例来分析其搜寻过程。根据上图可以看出当工作点在 MPP右侧时:△P.△v<0;增大占空比,使得BOOST电路的输入端等效电阻减 小,从而使得入端电压降低,向MPP移动;当电路工作点在左侧时△P宰AV>0, 减小占空比,使得BOOST电路的输入端等效电阻增加,从而使得入端电压增加,
向MPP移动。

为了实现上述占空比的负反馈调整,可以设计以下三级电路:

图3.23纹波扰动法控制电路

第一级为太阳电池的功率计算级,第二级为△p△v乘积计算级,第三级为
占空比调整级。

44

浙江大学硕士学位论文

这种方法的较为显著的优点是其寻找最大功率点的速度很快,与电路的开关 频率成正比,这使得它很适合运用在航空小卫星空间电源系统等光照、温度条件 变化较快的场合中;但是乘法器的运用增加了系统的成本。 3.2.6其他方法 在最大功率点追踪的控制策略中,还包括其他的诸如短路电流、开路电压法 等策略【3~z-3.44],它们是基于最大功率输出时太阳电池的输出电压与此温度、光照 条件下的短路电流、开路电压成一定比例关系的原理来进行功率追踪的。例如下
图即为最佳工作电压、电流与开路电压、电流的关系:



‰^C”%








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图3.24开路电压、短路电流与最佳工作点的比例关系

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一j30‘■nj

一::OIE^'

从上图可以看出,通过开路电压、短路电流来进行最大功率点追踪时,比例 系数的确定以及校正较为复杂,且随外界环境变化的适应性不高。

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浙江大学硕上学位论文

第四章独立光伏发电照明系统的设计
光伏发电照明系统主要包括两部分的内容,即太阳电池对蓄电池的充电电路 以及蓄电池对电光源的放电电路等。前一部分主要涉及到太阳电池的最大功率运 行以及蓄电池的充电管理,后一部分则主要侧重于光源的驱动、以及有效抑止光 衰、延长光源寿命等方面的内容。

4.1蓄电池充电电路
实验所用的蓄电池为EAST公司的阀控铅酸蓄电池,参数如下表所示:
型号 额定电压 容量
NPloo一12 12V 100Ah

表4.1蓄电池参数

太阳能板在温度25。C,光照强度1000W/m2的标准测试条件下,相关性能参
数如下: 型号 制作材料 标称功率 工作电压 工作电流 短路电流 开路电压
Bn.15D

多晶硅 15W
17.5V

O.86A

0.97A

21.5V

表4.2硅太阳电池参数

因此,针对此种型号的太阳能板,为了使其在该光照、温度条件下其最大输
出功率能得到最有效的利用,必须将太阳能板的输出电压稳定在工作电压17.5V 附近14“。但是在光照条件、环境温度发生变化的情况下,最佳工作电压值(输

浙江丈学硕上学位论文

出最大功率时对应的电压值)将会发生变化,因此,需根据当前光照、温度等条 件实时确定最佳工作电压,即进行最大功率点追踪。 4.1.I硅太阳电池组件的MPPT控制策略 通过上一章对各种MPPT策略优缺点的对比,本文采用扰动观察法来进行 太阳电池的最大功率点追踪,通过图3.14可以看出,太阳能板工作在最大功率 点P。。时有以下关系:

害≥=。,羞≥<。【P为太阳能板的输出功率,%为太阳能板的输出电压)
因此通过调整太阳电池的输出电压便可以实现工作点的转移,从而达到最大 功率输出。
考虑到太阳能板的输出电压高于蓄电池的电压,

根据该输入输出关系,选

择主电路拓扑为BUCK降压电路。
BUCK电路的输入输出关系H 2】为:

%‘D=‰

矿:堡
”D

所以:告一等(1) 一dP:旦.盟 d‰扣
dD

将(1)式带入上式司得:

一dP要.鲁(2)
dD

dy。移、‘

所以:

筹=等?老一等?丝dD?丝dD(3)
d瞄 拶dv。D-

、1

因为在最大功率点时有:

』L:0
dr_

竺。o
dp02

所以(2)及(3)式可化简为:

浙江大学硕士学位论文

堡l:0
dDI^pP

乱等‘老枷
因此,输出功率和占空比的关系与上一章图3.14中所述的硅太阳电池P—U 的关系相似。从而使得通过扰动占空比就可以实现输出功率的变化,并寻找出最 大功率点。
在不影响电路分析的前提下,作以下两个假设:


电路效率为100%,太阳电池的输出功率等于蓄电池的充电功率;

>蓄电池端电压变化很小,在一个MPPT搜寻周期内近似视为恒定;
根据以上假设可以得出:

Pba唧-Ppv;

而Pban旷Vlmttery+I啪口y;
且由于近似认为Vb日㈣=CoIlstam;
所以Ppv正比于Ibattery 因此,通过运算放大器以及其他相关的信号调理电路,采样该充电电流值, 从而判断出充电功率随占空比扰动的变化情况,即太阳电池的输出功率,以便进 行扰动观察最大功率点追踪。为了提高控制精度和驱动能力,单片机与开关管间 加入了D/A转换和PWM芯片,主电路结构如图所示。

图4.1主电路拓扑

电路寻找最大功率点的工作原理可以简单叙述为:通过不断改变开关管驱动 信号的占空比D,直至蓄电池的充电电流达到最大,即可认为此时太阳能电池在
该占空比下输出功率达到最大。

浙江大学硕士学位论文

在寻找最大功率点的过程中,根据占空比的扰动情况,输出功率有3类模式,

对应9种大小关系【4?31。如图4.2所示(其中A,B,C三点分别表征占空比为D.,
D,D+时太阳电池输出功率的相对大小)。

∥缁¨c
B C

图4.2输出功率随占空比扰动的变化情况 模式1表示占空比为D+时刻输出达到最大,
最大, 模式2表示D时刻输出达到

模式3表示D.时刻输出达到最大。

根据上述模式变化情况,利用单片机给出数字信号,经过D/A转换后,输
出占空比在0-1之间不断变动的驱动信号,当检测到当前输出功率与占空比的大

小关系为模式2所示时(即当占空比再向正负方向做少许扰动时,电路输出功率
将变小1,此刻即可认为已经搜寻到MPP。

为了减少在最大功率点附近扰动所造成的功率振荡,可以通过改变扰动步长
的方法,即初期扫描时步长较大,以利于快速寻找到最佳工作点,后期寻找到最

大功率点后减小扰动步长,以利于减少太阳电池输出功率随工作电压扰动所引起
的功率振荡损失。

软件设计思想可以简单叙述如下:首先将占空比设定在经验值(如0.7左右), 然后对占空比对正负扰动,根据扰动后的输出功率变化情况,判断出下一步的扰
动方向,直至输出功率达到最大值。其流程如下:

浙江大学硕上学位论文

设定占空比初始值D


采样输出电流,


扰动占空比D.,口+.并采样保 存对应的输出电流卜,+
l —

Ir一
根据占空比大小关系,在数据寄 存器依次保存对应之输出电流

..

≤≥拶



I......................一【.....................一 十 t

图4.3软件设计流程图

根据以上的分析,做了关于传统充电(即太阳电池经过二极管给蓄电池充电)

\\参数

测试条\
传统充电 (太阳电池一二 极管一蓄电池) 电路

测量时刻

Uoc(V)

Isc(A)

V—v)

I奢I(A)

太阳能板输出 功率(w)

09:30

19.95

O.92

13.33

O.77

10.26

10:00

19.76

O.9l

13.39

O.7l

9.51

10:35

19.43

0.92

13.47

0.7l

9.56

ll:20

19.16

0.90

13.5l

O.68

9.19

浙江大学硕士学位论文

09:30

19.95

0.92

18.54

0.78

14.46

具有MPPT功 能的DC-DC电 路

10:00

19.76

O.9l

18.46

O.76

14.02

10:35

19.43

O.92

18.29

O.76

13.90

ll:20

19.16

0.90

18.26

0.74

13.51

其中: Uoc、lsc分别表示太阳能板的开路电压和短路电流: Vm-、I。分别表示充电时太阳能板的端电压以及输出电流.

表4.3传统充电电路与MPPT充电电路的实验结果 关于输出功率,常规蓄电池充电电路与带MPPT功能的充电电路对比实验
结果如下图所示:

图4.4输出功率对比图 从上图可以看出,传统太阳能充电电路中,15W太阳能板的输出功率最大

值出现在早一1-_温度不高、光照比较强的时刻,但是此时利用率仅仅约为10.26W/ 15W=68.4%;而采用带有最大功率点追踪的DC变换电路后,太阳能板的输出功 率比较接近额定功率,
利用率明显一tz升。

占空比全区间扫描波形如图4-5所示:

浙江大学硕士学位论文

图4.5全区间扫描波形

搜寻到最大功率点后,扰动情况如下图所示:

图4.6稳态扫描波形 以下为扫描过程中占空比的变化情况:

(a)扫描初期开关管工作占空比

(b)扫描中期开关管工作占空比I

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(c)扫描中期开关管工作占空比II

(d)扫描末期开关管工作占空比

图4.7扫描过程中开关管驱动的变化情况

图4.8输出最大功率时的驱动信号

为了减少功率振荡,也可以通过定时复位的方法来进行最大功率点追踪,即 经过自行设定时间后,系统将重新进行最大功率追踪,这种追踪策略对于光照温 度等外界条件变化缓慢的气候环境较实用,因为它避免了功率振荡,同时即便出 现功率追踪策略紊乱,系统也会通过定时复位解决该问题,有效避免了系统长时
间的低功率工作。
4.1.2

硅太阳电池阵列及MPPT控制策略 随着光伏系统并网的要求,大功率太阳电池的制备以及在独立光伏系统、光

伏并网系统中应用已经逐步得到了发展。

太阳电池阵列是由许多较小单位的太阳电池组件经过串并联连接组成的,组 件的串联可以提高太阳电池的最高输出直流电压,组件的并联可以提高太阳电池
的最大输出电流。

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通过太阳电池组件间的串并联组合形成的太阳电池阵列,在性能上与电池单 体、组件有相似的地方,但是也存在一些较为显着的区别,主要表现在系统运行 过程中的低功率输出以及“热点”的出现,太阳电池阵列的低功率输出使得电池 的利用率降低,“热点”现象的出现使得太阳电池阵列过早损坏,降低了系统的
性价比。

目前太阳电池阵列通常是其组件通过某种串并联形式实现的。对于高电压输 出场合,往往需要进行串联,以下为几种常见的串联形式。但是当某块太阳能板
处于不完全光照条件下,系统的工作情况将有很大区别。

(a)电池阵列I(电池单体的简单串联)

(b)电池阵列II(单体反并二极管后串联)



≥ 平

订 ){ 支
/ l

PV ModUleI[



创 鲫2

(c)电池阵歹UIII(电池组件反并二极管后串联)

图4.9硅太阳电池组件问的三种串联形式 第1种连接方式:这种连接方式中,构成硅太阳电池阵列的各个组件没有外
并二极管。 当完全光照条件下,输出电压V。.=n?V。dl(n为串联数、Vcell为单体电压);当 某个太阳电池单体受到不完全光照时,阵列的输出特性将会发生变化。由于树叶

阴影、建筑物阴影,灰伞等影响,该片太阳电池(以下称为“故障电池’的最大

浙江大学硕士学仿论文

输出电流为IL,而其它单体的输出不受影响。因此,当负载电流在IL以下时, 所有单体都可以正常工作,但是当负载电流大于IL时,“故障电池”的等效PN 结将因流过反向电流而使得输出电压变换极性(见图4-11曲线4所标示),且最 大反向电压可升至十几伏直至PN结击穿,从而使得该片“故障电池”由于消耗 功率而成为其它电池的负载,形成“热点”,这就是“热点”现象的产生原因。

图4.10硅太阳电池阵列中的故障电池 其输出外特性如图4-11中的曲线3所示,从中可见太阳电池的最大输出功 率将大为降低,且在这种情况下,“故障电池”最终会因为消耗功率而发热损坏。



\、~~一——一—— 、~一一一一一且 II } # 认







V一



图4.1l硅太阳电池阵列的输出特性

第11种连接方式:这种连接方式中,构成太阳电池阵列的各个组件没有外并 二极管。但是为了避免上述I情况的发生,在每个单体太阳电池上并接一只反并 联二极管,如图4.10中的第2种连接方式。当故障电池的输出电流不足以维持 负载要求时,多余电流将被反并二极管旁路,且使得其端电压被嵌在O.7V左右, 其输出外特性如图4.11中的曲线2所示。这种连接形式有效避免了阴影造成的
单体发热损坏,但是基于系统成本上的考虑以及其复杂性,不为电池生产厂家以 及市场所接受。

第111种连接方式:这是介于第1、11种连接的折衷方式,即在每个模组上并 联一只二极管,这种连接方式既避免了阵列输出功率的大幅度降低和阵列的发热 损坏,也对降低成本有所稗益,因此为很多厂家采用。

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但是这种连接方式也存有其不足,表现在当负载电流超出“故障电池”的输 出时,含有“故障电池”的电池组件将因为多余电流被反并二极管旁路,致使该 电池组件的整体电压被嵌位在较低数值。 其输出外特性如图4-12所示:在较高输出电流要求下,输出电压不可能达
到很高。

VDanM
图4.12多极点时的输出特性

从中可以看出,其功率曲线出现多个极值点如图的A和B两点,从而使得 常规最大功率追踪策略停留在非最大值附近,如图中的A点,也称作Local
ximum Power Ma

Point,这将导致太阳电池阵列的低效率利用,降低了系统的性能

价格比,因此必须避免这种情况的发生。 当有三片或者更多的太阳电池组件串联时,在阵列输出功率一电压曲线中将 会有三个甚至更多的极值点出现。因此,在太阳电池阵列系统中,必须解决最大
功率点追踪过程中多个极值点的识别问题。

针对上述问题以及太阳电池系统的高额成本,宜采用最大功率追踪,同时也 必须避免上述出现的多极点问题,识别出最佳工作点,使太阳电池得到最大程度
利用,避免能量浪费,提升系统性价比。 作者针对太阳能路灯系统设计了软硬件电路,采用BUCK主电路用太阳电

池对蓄电池进行充电。 假设电路效率为100%,根据能量守恒定律可以知道:负载(蓄电池)端的 功率等于太阳电池的输出功率,因此可以通过扰动开关管的工作占空比,观察蓄

电池端功率变化情况,进而确定下一涉扰动方向,直至蓄电池端功率(太阳电池
输出功率)达到最大,这也是传统扰动观察法的基本思想,但是为了避免阴影造

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成的多极点现象,可以采用对开关管的驱动信号作两次扫描的扰动观察法策略, 即先进行粗略扫描定位工作区间,再次做细致扫描最终确定工作点,其软件编制 流程如下:

I进一步选定扰动区间,占空比作细
致扫描


I监测充电电流,其数值变动较大时
启动新的MPPT



I设定时间到达后再次作全区间扫描
图4.13软件设计流程图 初次扰动观察过程中,对开关管的工作占空比作全区间扫描,采样蓄电池充

电电流,从而可以确定最大功率输出时开关管占空比所在的粗略区间,然后进一 步在该区间做占空比的扰动观察,采样充电电流,计算出当前的输出功率,直至 输出功率达到最大,即可确定当前工作点为最大功率点。 通过这种方法,避免了树叶鸟粪等因素造成的阴影带来阵列输出功率多极 点,进而造成太阳电池的能量浪费问题。软件设计流程图如下所示:

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图4.14扫描流程图

(a)搜寻到最大功率点后状态保持

(b)环境变化触发再次进行MPPT

图4.15实验结果

当搜寻到最大功率点时,以此占空比工作,当电池的充电电流值发生较大变 化时,意味当前光照/温度等外界环境发生了变化,从而再次进行MPPT。
6l

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为了避免树叶、鸟粪等杂物造成太阳电池的阴影,在经过设定时间后,系统 重新进行先粗略后细致的两次扫描定位,寻找最佳工作点,避免太阳电池输出功
率的浪费。

根据上述分析以及所设计的硬件、软件电路,相关实验结果验证了本文所提
出的两次扰动观察方案的有效性。

当经过两次扰动观察后,最终使得太阳电池输出最大功率。 此时对应的开关管驱动信号如图8所示,其中上下两幅图分别表示扰动观察 法所搜寻到的工作点,但是下图所示工作点的功率不是太阳电池的最大输出,此 时太阳电池的输出电压为19.31V,蓄电池电压11.8V,充电电流1.22A,功率仅 约为14.4w,此时称该工作点叫做次最大功率点;而上图所示工作点时,太阳电 池的输出电压为25.3V,蓄电池电压11.8V,充电电流1.5A,才为功率最大输出 时的驱动信号,此时输出功率约为17.5W。

(a)最大功率时的驱动

(b)次大功率时的驱动

图4.16对应硅太阳电池两个工作点时的驱动

4.2光源驱动电路
4.2.1

LED的恒流驱动 光源选择的为单晶白光LED,恒流控制‘4。1电路采用了Microchip公司的PI

C12F675单片机,这款单片机具有p‘5】: 》1024字的Flash; ≯4MHz的内部晶振; ≯6个I/O口,驱动电流达到20mA: >4个通道的10位AD转换器; >2个定时/fl-数器;

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>1个具有8种工作模式、32种基准电压的比较器; 》7个中断源,无优先级高低之分; 设计程序流程如下:

注:其中l一、I蜊分别为当前流经LED灯的电流以及用户设定电流值,
1.鳅为设定的关断时问。 图4.17软件设计流程

编制语言上可以选择通用的c语言或者汇编语言。但二者各有优缺点【46】:
汇编语言程序生成的代码少,占用空间小、执行速度快:但是编写较麻烦,

可读性和可移植性,调试和排错也比较困难;

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C语言是一种高级语言,既有通用计算机程序设计语言的特点,叉能直接对 计算机硬件进行操作,并且可移植性好。但是在一些实时性要求高的场合,c语
言编写的程序往往不能胜任。

在一些程序简短、时序要求高、ROM空间紧张的场合中,宜选用汇编语言 进行编写;而在一些实时性要求不高、数据计算处理比较复杂的场合,C语言编 写的程序具有较好的可读性、可移植性以及高效性。 在LED驱动电源设计中,由于系统的高频工作,c语言编制的程序在反汇 编的过程中,编译器往往会自动生成若干条的现场保护指令,这造成了很大的延 时,使得系统往往按预期设想运行,因此最终选择了汇编语言。
电路工作波形如下所示:

图4.18电流采样波形
4.2.2

LED的节能运行 为了实现LED的节能运行,可以采取天黑亮灯、天亮灭灯运行,同时也可

以采用深夜调光策略,即在凌晨人流量较小的时候,以半功率运行,这对于直流 驱动的LED光源来说,是很容易实现的。

其中天黑亮灯、天亮灭灯的运行理论上可以依靠检测太阳电池的输出来实
现:在天亮和天黑的时候,太阳电池的输出电压不一样,因此可以设计相关电路

来判别天亮、天黑,进而进行亮灯、灭灯控制。但是,实际操作过程中,天黑到 天亮以及天亮到天黑转变的过程中,太阳电池的输出变化空间不大,往往不能准
确进行亮灯、灭灯控制。 较太阳电池不同,光敏电阻是一?种对光照很敏感的元件14”。它是一种采用 半导体材料制作、利用光电效应jI:作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往

变小,这种现象称为光导效应,因此也称光敏电阻为光导管。用于制造光敏电阻

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的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、 烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极,然后接出引 线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里, 它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则
价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电

荷的空穴,这种由光照产生的电子一空穴对增加了半导体材料中载流子的数目,
使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强,阻值愈低。入射光消

失后,由光子激发产生的电子一空穴对将逐渐复合,光敏电阻的阻值也就逐渐恢
复原值。本文所选用的光敏电阻的明电阻为1.5K,暗电阻为46K,据此设计了 图示电路:

注:其中R2为光敏电阻

图4.19光控开关电路

在天黑的时候,R2阻值较高,Q1、Q2开通,后级电路工作正常;当天亮 后,R2阻值降低Q1、Q2关断,后级电路不能工作。因此,该电路可以在天黑 的时候自动开启后续亮灯电路,天亮的时候自动关闭亮灯电路,实现LED的节 能控制,提高系统有效照明时间。

4.3结论
研究了以铅酸蓄电池为负载的硅太阳充电电路中最大功率点追踪问题,提出

了一种以蓄电池充电电流为状态观察量的扰动观察法,并在此基础一lz提出了一种 依靠环境变化来触发新的扰动观察策略,减少了常规扰动观察时功率振荡所造成 的能量损失;进而研究了太阳电池阵列的电气特性,分析了阵列使用过程中的“热

浙江大学硕士学位论文

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浙江大学硕士学位论文

第五章总结与展望
5.1总结
文章针对独立光伏LED照明系统,研究了硅太阳电池、LED光源以及蓄电 池的特性,并着重研究了硅太阳电池的最大功率点追踪策略,详细分析并总结了 目前较常用的几种最大功率点追踪策略的优缺点,并提出了适合本系统的最大功
率点追踪策略。

首先对硅太阳电池的电路模型进行了研究。通过对硅太阳电池等效串、并联 电阻不同阻值的仿真,分析研究了它们对太阳电池输出特性的影响过程,对大功 率硅太阳电池光伏阵列的封装具有一定的指导意义; 其次对太阳电池组件的输出特性以及最大功率点追踪策略做了进一步的分 析。研究了以铅酸蓄电池为负载的光伏系统中的太阳电池最大功率点追踪策略, 提出了一种以蓄电池的充电电流为状态观察量的扰动观察法追踪策略,控制系统 具有结构简单、性能可靠、成本低廉的优点;并在此基础上提出了一种定时复位
的最大功率追踪策略,该策略能够适合环境变化缓慢的场合;

再次研究了太阳电池阵列的电气特性,对硅太阳电池阵列使用过程中的“热 点”问题以及功率曲线多极值点问题进行了详细的分析,并研究了相应的最大功 率追踪策略。提出了一种依靠环境变化来触发新的扰动观察追踪策略,经过先粗 略后细致的两次扰动观察法来实现功率追踪,能够有效识别输出特性中的次最大 功率点、最大功率点,避免了不完全光照造成的功率损失以及追踪实效问题,提 高了硅太阳电池阵列的利用率,提升了系统的整体性价比;同时能够减少常规扰 动观察法追踪过程中功率振荡所造成的能量损失,并能根据外界环境变化情况进
行新的功率搜寻;

最后研究了LED光源的数字驱动以及节能运行电路,设计了一款白天灭灯、 夜晚亮灯的LED电路。

5.2展望
课题研究虽然取得了…定的成果,但是还存在一些不足,同时今后还应在以
下几个方面进行研究: 硅太阳电池电路模型方面的研究、建模不够深入。必须在大量实验数据的基 础上建立可靠、实用的电路模型,以利于电路仿真以及分析:
67

浙扛大学硕士学位论文

由于选用的铅酸蓄电池容量较大,而本独立光伏系统的充电电流不大,因此 蓄电池不会出现由于充电电流太大而引起的析气现象。所以本文对蓄电池的充放 电管理较为粗糙,只进行了简单的限压操作,但是随着光伏并网的发展,最大功 率点追踪策略以及蓄电池的充电管理必须得到兼顾和权衡。 伴随政府“节能增效”号召的提出以及太阳电池价格的降低,大功率太阳电 池阵列在独立光伏系统、光伏并网系统、混和光伏系统中的应用将得到长足的发
展,因此必须研究适合相应系统的最大功率追踪策略以及系统中的能量管理问 题。

新一代光源LED光效的逐步提高以及多晶型LED(三基色R-G-B型)技术 的发展,必将使得这种高显色性的LED成为未来LED市场中的主流,但是其光 色的一致性以及稳定性问题亟待解决,必须进行这方面的研究。

浙江大学硕上学位论文

攻读硕士学位期间发表论文

陈尚伍,陈敏,李明勇,钱照明,“太阳电池最大功率点追踪的控制策略”,太阳能学 报,(录用) 陈尚伍,陈敏,钱照明,“高亮度LED太阳能路灯照明系统”,电力电子技术,40卷第 6期,2006

浙汀大学硕t学位沦又





值此论文完成之际,首先向导师钱照明教授致以衷心的感谢。 本文是在导师饯照明教授的悉心指导和关怀r完成的,在论文的每个研究阶段,钱老 师都给予了极大的帮助和启迪。钱老师渊博的学识、严谨求实的治学精神以及兢兢业业的工 作作风,给学生留r了深刻印象,并将使学牛受益终生。 其次感谢陈敏师兄,在两年的研究生期问,陈敏师兄给予了我生活上的关心和学业上 的指导,与他每次的学术讨论都使我受益匪浅,培养了我发现问题和解决『口J题的能力。 再次要感谢与我胡夕相处并给我指导的陈玮、冯利民、陈恒林、郑崇峰、许建炳师兄、 郭蓉、梁伟霞师姐、姚玮、李明勇、以及陈晶晶、张汀、邵聪磊、翟建勇等师弟师妹,他们 扎实的电力电子功底以及勤勉刻苦的科研作风都对我的学术研究有所启迪并开拓了我的思 维和视野。 感谢我的女友给予我生活和学业上的关心和支持。 最后感谢我的家人,感谢爸爸、妈妈对我学习、生活}.的关爱和无私奉献:感谢哥哥 在我人牛每个l‘字路口的指引和鼓励。 衷心祝福所有关心、帮助我的老帅、亲人和朋友们!谢谢
陈尚伍

2007年5月r求是园

独立光伏发电LED照明系统的研究
作者: 学位授予单位: 陈尚伍 浙江大学电气工程学院

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1213368.aspx


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