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如何设计兼顾效率与成本的太阳能系统

Albert Wu/Steve Knoth?? Linear 新电子?? 2015年06月17日 ?? 收藏1
升降压电池充电器内建MPPT 太阳能系统兼顾效率与成本

太阳能是绿色能源,而且是免费的,但是可能常常不太可靠。温度变化会导致太阳能电池板的最佳功率提供点偏移,此外,设备老化、局部光照被遮挡、日落、被动物粪便污染等,都可能妨碍太阳能电池板的性能。基于这些可靠性和可变性问题,几乎所有太阳能供电设备都采用可再充电电池,以提供备分电源;过去一度仅使用铅酸电池,现在所用电池种类已经扩大到包括锂电池了。

太阳能供电应用之所以配备再充电系统,是为了尽可能汲取更多的太阳能,以迅速为电池充电并保持电池的电荷状态。此外,当太阳能电池板得到的光照很少或没有光照时,电池漏电大小就至关重要,无论何时只要可能,就应该减到最少。

显然,太阳能供电应用正处于成长阶段。现在有各种不同尺寸的太阳能电池板可为各种各样的创新应用供电,例如人行横道标志灯、垃圾压实机、海上浮标灯等;有些太阳能供电应用采用的电池是深度循环类电池,能承受很多个反复充电周期以及深度放电,这类电池常见于"离网"(即与电力公司电网断开)可再生能源系统,例如太阳能或风能发电系统。就离网系统而言,系统运行时间非常重要,因为这类系统并不易靠近。

太阳能电池板基础知识

就一定量的光能和工作条件而言,太阳能电池板在某一特定输出电压上产生峰值输出功率。图1所示为由七十二节电池组成的太阳能电池板,在电池板温度为60°C时的特性。虚线代表电池板的I-V曲线,X轴表示电池板电压。实线表示当电池板电压从0V变化到电池板开路电压时电池板产生的输出功率;电池电压变化是用简单的负载箱实现的。

图1 在不存在局部光照被遮挡的情况下,给定太阳能电池板的简单功率曲线。
图1 在不存在局部光照被遮挡的情况下,给定太阳能电池板的简单功率曲线。

就此处所述这一特定情况而言,最大功率点在32V,该电池板可提供140W功率。如果允许电池板温度变化,在真实情况中这当然是允许的,那么最大功率点可能在大热天的28V到寒冷冬天的44V之间变化。

很多较简单的太阳能充电系统会将电池板电压工作点设定为固定值;在上述特定电池板情况下,这类较简单的系统会将电池板工作点设定到32V,以在给定温度时汲取最大功率,而这个例子的温度为60°C。不过,当电池板温度变化时,会浪费大量功率,因为电池板不在真正的最大功率点上工作了。在这类情况下,可能会浪费20-30%以上的可用功率。

使情况变得更糟的是,按照已实行的安全标准,大多数电池板必须在太阳能电池数组中装上旁路二极管;这么做的原因,是当部分电池板被遮住而得不到太阳光照射,而其他部分得到充足阳光照射时,太阳能电池板会有一些特殊情况发生。

这时,被遮住的太阳能电池是反向偏置的,但其中仍然有很大的电流流过,因为其他得到充足光照的电池正在提供电流,被遮住的电池温度可能上升,这有可能造成火灾。为了帮助降低火灾风险,制造商在电池板各处都放置了旁路二极管。图2显示在上述七十二节电池的太阳能电池板上,旁路二极管是怎样放置的。

图2 出于安全考虑,七十二节电池的太阳能电池板上放置了三个旁路二极管。
图2 出于安全考虑,七十二节电池的太阳能电池板上放置了三个旁路二极管。

由于电池板中存在旁路二极管,当部分电池板被遮挡时,就可能出现复杂的功率电压特性。图3显示了这种情况,其中出现了两个局部最大功率点,一个在21V电压处,另一个在37V电压处。如果采用前述简单的32V功率点设定方法,那么可获得79.4W功率,而不是在真正最大功率点21V上可获得的90.1W;这表明在这种情况下损失了13.5%的功率。显然可跟踪真正最大功率点并在其上工作的系统会有卓越功率表现。

图3 当太阳能电池板被部分遮挡时,会产生较复杂的功率曲线。
图3 当太阳能电池板被部分遮挡时,会产生较复杂的功率曲线。

太阳能供电可再充电电池系统设计挑战

太阳能电池板的典型效率约在5-15%之间。考虑到较大型(即更强大)的电池板成本更高,所以太阳能供电设计必须最大限度提高效率,以最大限度降低系统总体成本。

太阳能供电产品要有效收集太阳能,其设计必须能够管理变化范围很宽的输入,同时还能够使太阳能电池板在最大功率点或其附近工作。并且,该设计必须能够为该产品选择安全的化学组成电池充电。

在太阳能充电系统中,还会遇到其他设计问题吗?就任意给定太阳能供电系统而言,固件开发和调试可能需要大量时间,如果太阳能电池板的最佳功率提供点可以低于、等于或高于电池电压(这是非常常见的情况),那么会需要更加复杂的升降压拓扑。

升降压拓扑允许真正的双向隔离(相较于降压型拓扑,如果电池板没得到光照,那么它可能透过NMOS的体二极管和电感器耗尽电池电量)。为保护电池,须要恰当的电压终止。最后,既然电池板不是可靠的电源,那么就需要电池原地充电(充电器给电池馈电,且负载连接到电池),在这种情况下,电池既是电源,又做为缓冲器使用。

下一页:最大功率点追踪提升太阳能系统发电量


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太阳能? 太阳能电池? 环保?

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