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光伏发电系统最大输出效率探索XExploration of Maximum Output Efficiency for Photovoltaic Power System杭州电子工业学院 ( 杭州 310017) 潘玉良 施浒立【 摘 要】 分析了简易光伏发电系统、 太阳能电池板的输出特性和工作效能, 提出了最 大效率跟踪方法, 建立了相应的效率优化模型, 构造了求解方法, 从而得到了光伏发电系统最 大输出效率, 收到了良好效果 关键词: 太阳能, 太阳能电池, 光伏发电系统 【 Abstract】 T he tracking method of the maximum efficiency is presented in this paper after analyzing the output characteristics and the performances of the simple photovotaic power system. The solving method is constructed while the optimal model for the efficiency is set up. The solution of the maximum output efficiency for the photovoltaic power system has been found and the better effect has been gotten. Keywords: solar energy, solar cell, photovoltaic power system1 引 言自 50 年代第一块光伏电池问世以来, 光伏电池 的研究不断深入, 制作水平不断提高, 其制作成本大 幅度下降。

如今光伏发电的应用已从空间扩展到地 面, 取得了显著的经济效益、 社会效益和环境效益 太阳能是清洁绿色能源, 它具有不消耗燃料, 没有环 境污染, 能就地产生, 不需要长距离输送, 可靠性高, 寿命长, 使用维护简单, 安全性能好, 可分散供电, 与 其它电源系统的兼容性好, 储能比较方便等优点, 蕴 藏着广泛应用前景和无限的生命力 预计到 21 世纪 末或 22 世纪初, 它将成为全世界重要的发电技术之 一, 会在整个电力构成中占有相当大的比重但是, 如今正在使用的光伏发电系统中的大部分设备还处 于较为原始的阶段, 如图 1 所示: 白天, 太阳能电池 组件接收太阳光, 输出电能, 经过防反充二极管直接 向蓄电池组充电; 夜晚, 逆变器把蓄电池组输出的直 流电变换为交流电, 供用电器使用 为了促进太阳能 的应用, 必须进一步提高太阳能的应用技术, 因为较 低的应用研究水平和制造技术已成为制约太阳能应 用的瓶颈 为此, 本文就寻求光伏发电系统的最大输 出效率这一问题进行研讨, 使光伏发电系统在太阳 光辐射发生变化或蓄电池电压发生变化时具备最大 输出功率能力, 使整个发电系统处于最佳输出效能 状态。

2 太阳能电池的输出特性首先分析太阳能电池的光伏特性曲线, 即伏安特性曲线( I- V 特性曲线) 它是在一定光强、 一定温 度下太阳能电池的负载外特性, 直接反映出电池输 出功率 在一定的太阳光( 或模拟阳光) 照射下, 这曲 线完全由电池的 P- N 结特性和电阻分散参数确定 光照强度不同时, 太阳能电池的输出特性有较大的 改变, 即对应不同的光照强度有不同的输出特性曲 线, 如图 2( a) 所示曲线上任何一点都可以作为工 作点, 工作点所对应的纵横坐标即为工作电流和工 作电压工作电流和工作电压之乘积即为电池的输 出功率P图 1 简易光伏发电系统即P = IV( 1)同时, 也可绘出 P- V 特性曲线, 如图 2( b) 所示, 在 P-V 特性曲线上, 最大功率点就是电压和电流的 最佳汇合点Pm当功率达到最大时, 电流和电压均·50·电子工程师微电子与基础产品 V ol. 27 No. 9 2001X收稿日期: 2001—06—11不可能在最大值上 a) I-V 特性曲线( b) P-V 特性曲线图 23 太阳能电池的内部等效电路为了搞清楚太阳能电池工作的过程, 以及影响 太阳能电池工作效能的因素, 须通过等效电路模拟 来进行分析。

太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把阳 光直接转换成电能的一种固态器件当阳光照射到 由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材 料构成的 P- N 结上时, 在一定条件下, 光能被半导 体吸收, 在导带和价带中产生非平衡载流子——电 子和空穴 由于 P-N 结势垒区存在着较强的内建静 电场, 因而能在光照下形成电流密度 J 、 短路电流 Isc、 开路电压 Voc若在内建电场的两侧引出电极并 接上负载, 则负载中就有“ 光生电流” 流过, 从而获得 功率输出, 这就是光电池的基本工作原理, 它把太阳 的光能直接变成了电能图 3 光电池等效模拟电路下面对一恒定光照下的光电池单体进行等效模 拟分析 光生电流” 可以用一恒定电流源模拟太 阳能电池本身是 P-N 结, 故用二极管模拟; 由于电 池板材料前表面和后表面的电极和接触, 以及材料 本身有电阻率, 基区和顶区不可避免引入附加电阻, 工作时的负载电流必将引起电池板内部的串联损 耗, 引入串联损耗电阻 Rs; 此外由于太阳能电池板 制作的工艺或材料等问题, 电池板内部存在漏电, 使 本该流过负载的电流被短路了, 故引入并联损耗电 阻 Rsh。

那么, 这个光电池单体的等效模拟电路如图3所示, 充电电流 I 可由下式表达:I = Iph- Id- Ish( 2)式中, Ip h为光电流源的输出电流, 不随工作状态而 变化, 它与入射光通量成正比 Id为流过 P-N 结上的电流:Id= Io〔 exp( qVj/ nkT ) - 1〕( 3)Io为反向饱和电流, n 为二极管性能指数, k 为波尔 兹曼常数, T 为绝对温度, q 为单元电荷, Vj为结电 压 Ish为漏电流, 与工作电压成正比:Ish= Vj/ Rsh( 4)Rs为顶透明电极、 底电极与光伏电池半导体的 电阻之和的串联电阻 模拟等效电路的输出电压为:V = Vj- IRs( 5)光伏电池的外特性为I = Iph- Io〔 exp( qVj/ nkT ) - 1〕 - ( V + IRs) / Rsh( 6)4 光伏电池板上太阳辐射能转换形式设太阳光照射到光伏电池板的辐射功率为 E, 被电池板反射的功率为 Ef, 转化为热的功率为 Eq, 实际转化为电能的功率为 Em 反射功率 Ef应减少, 本文暂不讨论 众所周知, 太阳能电池板的转换效率 还不是很高, 目前实际使用硅材料光伏电池板的效 率约为 10%～20% ( 实验室中日本日立制作所研制 的双面感光单晶硅太阳能电池的转换效率最高也只 有 27% , 它已经非常接近单晶硅太阳能电池的理论 值 26% ～28%) 。

可见, E 中反射和转化为其它形式 的能量高达 80% ～90% 下面我们就太阳能电池板受到的辐射以及功率 E 的转换问题加以讨论 用公式表示:E = Ef+ Eq+ Em( 7)式中, Ef指被反射的功率, Eq为转化为其它形式能 量的功率( 大部分转化为热能, 它大大增加了光伏电 池板的温度, 从而使电池板的性能下降使用寿命缩 短) Em可由下式表示:Em= Ed+ Esh+ Es+ ERL( 8)式 中, Ed为Id流过 二极 管所 产 生的 功耗Ed= 0. 7Id; Esh为漏电流流过 Rsh所产生的功耗, Esh= Ish2Rsh; Es为负载电流流过串联损耗电阻 Rs所产生 的功耗 Es= I2Rs; ERL为实际外负载 RL上获得的功 率 ERL= I2RL 8) 式中只有这项才有用由此看出·51·潘玉良, 等: 光伏发电系统最大输出效率探索不管是开路还是短路, 太阳能板所接受的辐射能, 最 终会由于无法输出而内耗在电池板上, 从而导致电 池板上热量增加、 效率下降 只有当太阳能板输出为 最大时, 由内部电路引起的功耗才会降到最低5 光伏发电系统的结构提高光伏发电系统的效率, 既要提高光伏电池 板转换效率, 还要考虑负载与光伏电池的功率匹配 及中间转换电路等有关因素。

( 8) 式中前三项是不可 避免的, 它只能通过材料和工艺来得到改善 在本文 中我们力图通过功率匹配来降低前两项的功耗提高 光伏发电系统的效率 图 4 是具有最优化效率跟踪的光伏发电系统原 理框图 针对蓄电瓶为负载对象, 把充电时间最短或 充电电流最大作为最优化效率跟踪模型的寻求目 标 图中控制器是一个由单片机来控制的智能系 统, 光伏发电系统直流输出经电流采样、 A/ D 变换 后送入控制器, 控制器采用使电流最大化优化模型 和优化算法, 运算后以 PWM 信号输出, 调整输出电 压, 改变充电电流, 实现发电系统最佳功率点的跟 踪 当负载蓄电瓶电压上升时, 算法会自动调整让发 电系统工作在当前的最佳状态; 当太阳光发生变化 时, 系统也会自动调整输出电压, 让发电系统工作在 最佳状态图 4 最优化效率跟踪光伏发电系统原理图6 优化效率模型假设太阳能充电系统在某一时刻 t 蓄电池容量 为 Q( t) 、 充电电流为 I( t) 那么, 蓄电池充电公式为Q( t) = Q0+∫t2t1I( t) dt( 9)Q0为蓄电池原有电量, 若充放电同时进行, 则Q( t) = Q0+∫tit1I( t) dt -∫t2t1IF( t) dt( 10)其中IF为放电电流。

现仅研究最快充电问题Qz( t) =∫t2t1I( t) dt( 11)从上式可以看到, 在蓄电池容量或其它选定时, 求最高充电效率问题可以转化为求最短充电时间,或最大充电电流 现分析影响充电电流的各种因素: ( 1) PWM 调整参数K ; ( 2) 太阳能蓄电池的输出功率 PI, 也就是 DC- DC 变换器的输入功率PI= P〔 N ( t) , K 〕( 12)其中 N( t) 为随时间变化的光照能量, 相应的电压和 电流为VI、 II即N( t) = C1VI( t) õII( t)( 13)( 3) 整个发电系统的变换效率 G, 它与材料、 线 路设计有关, 制作完毕后较难改变 但 PWM 调整变 量 K 对它有一定影响因此G= G( k)( 14)( 4) 蓄电池充电电压 U( t) 的影响某一时刻 t 的电流可以表示成I( t) = I ( K, P( N( t) , k) , G( k) , U( t) )( 15)那么, 求最大充电电流问题的数学模型为MAX I( t) = I〔 K , P( N( t) , k) , G( k) , U( t) 〕 ( 16)服从: 0< VI< Voc ( Voc: 开路电压) K0≤K ≤KⅡ( 芯片的 PWM 调整范围) U≤U′( U′ : 蓄电池不发生过充电的 限定值)0< II< Isc( Isc: 短路电流) 在上述过程中, 在某一时刻不改变光伏电池串 并联结构, P( N( t) , t) 特性曲线基本确定, 只要能测 出即可。

蓄电池充电电压 U( t) 亦同样所以上述问 题简化为单变量优化问题即在某一时刻, K 使I 〔 K , G( k) 〕 → max( 17)服从:0< VI< V∞ K0≤K ≤KⅡ U≤U′0< II< Isc 可以采用梯度法求解, 也可以令5 I〔 K , G( k) 〕 5K= 0( 18)若式( 18) 有解, 可直接求解得到优化参数 K 这时充电量$Q =∫t2t1I〔 k, G( k( t) , t) 〕 dt → max( 19)图 5 表示某一时刻 PWM 调整变量 K 与电流 I 之间的关系·52·电子。