34 2010 年第 2 期2010 年 6 月光 源 与 照 明智能太阳能最大功率跟踪系统刘 卓刘克富赵海洋李志豪 复旦大学电光源研究所 (上海 200433)摘 要 随着社会的发展，能源危机日趋严重，太阳能的研究与应用也愈来愈受到世界各国的重视。然而太阳能电池特性是，在温度和太阳能辐射等一致情况下，其输出功率随着输出电压呈单峰曲线。采用最大功率跟踪（MPPT）能大幅提高功率输出，实际对于太阳能应用，MPPT 必不可少。提出 MCU 为控制器的嵌入式 SPEIC 电路系统，实现最大功率跟踪。结果表明，系统在各种辐射强度下均明显增加了输出功率。关键词 太阳能 最大功率跟踪（MPPT）充电 SPEIC 电路前言人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等化石 能源。而占人类能源消费大部分的煤炭、石油等化石 能源都是不可再生资源。据有关资料报导，依目前石 油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为 1 1801 510 亿吨。以上世纪 90 年代世界石油的年开 采量 33.2 亿吨计算，石油储量估计可维持到 2050 年 左右；天然气储备估计在 1 3181031 529103Mm3， 年开采量维持在 2300Mm3左右，将在 60 年左右内枯 竭； 铀的年开采量为每年 6 万吨，根据 1993 年世界能 源委员会的估计， 铀也将于本世纪 30 年代中期宣告枯 竭。煤的储量约为 5600 亿吨，上世纪 90 年代煤炭年 开采量约为 33 亿吨，可以供应 169 年1；应而新能源的开发与应用，势在必行。作为新能源之一的太阳能， 更是受到越来越多的国家重视，运用越来越广泛。 太阳能光伏发电具有无污染、取之不竭用之不尽 等优点。太阳能光伏发电的特性是， 发电功率由温度、 光辐射强度、太阳能电池板工作电压影响。为提高太 阳能电池板的发电效率，最大功率跟踪不可或缺。太阳能电池特性分析太阳能电池板由许多个小的太阳能电池组成，根 据需要的电压和电流，通过相应的小太阳能电池块串 并联获得。每个太阳能电池都是有具有 PN 结的半导 体组成，图 1 为太阳能电池板的等效电路模型1 2。图 1太阳能电池等效模型太阳能电池的伏安特性与太阳辐射强度和温度息 息相关，用函数关系可以表达为： =，ph， )。由太阳能电池板的等效电路和半导体 PN 结特性， 可以用 下式表示太阳能电池板的输出电流与输出电压的关系3：=phdsh(1)I phoexp + -1 +(2)其中： 为光伏电池输出电流，即工作电流； 为光伏电池输出电压，即工作电压；ph为太阳能电池板在阳光照射下产生的电流，即 光生电流；o为太阳能电池板的逆向饱和电流； 为电子的电荷量； 为太阳能电池板的理想因数，当=298K 时， 取值 2.8； k 为玻尔兹曼常数； 为光伏电池表面温度；Sh为太阳能电池内部等效并联电阻；s为太阳能电池内部的等效串联电阻。 由上式模型可知，太阳能光伏电池阵列具有典型 的非线性特性。 通过上述的太能电池的模型分析，太阳能电池板 的输出不仅与太阳能辐射强度有关，还与温度有关。 为了更好地理解太阳能电池的输出特性，分别分析太 阳能电池的伏安特性及功率电压特性曲线随辐射强度 及温度而变化的曲线1 4。太阳能电池随辐射强度而变化的特性见图 2、图 3。图 2太阳能电池的伏安特性日照强度增强 6543210电流/AMPP 线=1 000 W/m2=800 W/m2=600 W/m2=400 W/m25101520 电压/V太 阳 能 研究ksssh 35 2010 年 6 月光 源 与 照 明2010 年第 2 期图 3 太阳能电池的功率电压特性图2是太阳能电池保持温度不变条件下随辐照度变 化的伏安特性曲线。 图 3 是太阳能电池保持温度不变条 件下随辐照度变化的功率电压特性曲线。 MPP(Maximal PowerPoint) 为太阳能电池最大功率点。由图可知： （1）太阳能电池的短路电流随太阳辐射强度增强 而变大，两者近似为正比关系。在最大功率点之前， 随着太阳能电池板输出电压的增大，输出电流减小缓 慢。但是，最大功率点是个转折点，该点后，随着输 出电压的增大，输出电流急剧减小，导致输出功率亦 急剧减小。太阳能电池的开路电压在各种光照条件下 变化不大； （2）太阳能电池的最大输出功率随光照强度增强 而变大，且在同一光照环境下有且仅有唯一的最大输 出功率。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压 上升而增大，近似线性增大。最大功率点右侧，输出 功率随输出电压的增大而急剧下降。 图 4 是太阳能电池保持辐照度不变条件下随温度 变化的伏安特性曲线。图 5 是太阳能电池保持辐照度 不变条件下随温度变化的功率电压特性曲线。从图 4 中可知，温度对光伏电池的短路电流影响不大，随着 温度的上升，短路电流只是略增加。但光伏电池的开 路电压随温度上升下降较快。从图 5 可知，太阳能电 池输出功率变化趋势与不同太阳能辐射强度下的功率 变化相类似。同一太阳能辐射强度下，太阳能电池输 出最大功率随电池温度上升而下降。同时，最大功率 点对应的工作电压也随温度上升而下降。图 4太阳能电池随温度变化的伏安特性图 5 太阳能电池随温度变化的功率电压特性硬件电路设计本系统是太阳能 LED 照明系统， 太阳能电池板的 负载是蓄电池。白天只要太阳能转换成的电能（最大 功率处输出功率）大于系统工作需消耗的功率，即开 始工作。在 MCU 的控制下，对蓄电池充电。这里只 对充电系统部分详细阐述， LED 驱动5部分不作详述。传统的充电电路部分是将太阳能电池通过二极管 对蓄电池充电。二极管的主要作用是保证电流的单向 流向性，防止太阳能电池板电压比蓄电池电压低时的 电流倒灌。再通过采用匹配蓄电池规格与太阳能电池 板的规格使得效率不至于过低，例如：对于 12V 规格 的蓄电池， 则选用峰值电压为 17V 左右的太阳能电池 板与其匹配工作；而对于 24V 规格的蓄电池，则选用 峰值电压为 30V 左右的太阳能电池板与其匹配工作。 这种传统的二极管式充电电路结构非常简单，最 大弊端在于充电时太阳能利用率非常低6，并且无法对充电过程进行控制，导致严重影响蓄电池使用寿命 同时，影响蓄电池的充电效率7。对于传统充电电路，随着太阳辐射能量的不同，有三种情况分别是： 在太阳辐射功率较大时，处于峰值功率处的电 压比蓄电池电压大，由于蓄电池的钳压作用导致太阳 能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高。而太阳 能电池板的功率输出同等条件下随着输出电压是先增 大后减小，即存在某一电压使得输出功率为最大值， 此电压称为峰值电压。电池板的工作电压与峰值电压 相差越远，输出功率越小，如图 6 所示。 图 6 是太阳能电池板在某温度及太阳辐射强度下 的伏安特性曲线示意图，对于任意工作点，与横坐标 及纵坐标所围成的面积即为太阳能电池板输出功率。 在太阳能电池板工作电压小于峰值功率电压时，随着 工作电压的提高输出电流下降，但下降速度较慢，输 出功率增大。在太阳能电池板工作电压大于峰值功率 电压时，随着工作电压的提高输出电流急剧下降，输 出功率亦急剧下降。图 6 中 A 点是最大功率工作点， 面积 (1) 和面积 (2) 之和即为该条件下的最大输出功MPP 线0102030405060708090日照增强05101520电流/A0 25 50 75电压/V功率/W0 25 50 75电压/V电压/V 36 2010 年第 2 期2010 年 6 月光 源 与 照 明率。由于蓄电池的钳压作用，对于 12 V 蓄电池系统， B 点为实际的太阳能电池板的工作点。面积 (3) 和面 积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池板的输出功 率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传统的二极管 式充电电路所损失的功率。图 6强辐射时太阳能输出功率对比图(2) 在太阳辐射功率较小时，处于峰值功率处的电压比蓄电池电压小，由于蓄电池钳压的作用导致太 阳能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高，从而 导致太阳能电池板的实际功率输出比峰值输出功率要 小。且同等情况下，电池板的工作电压与峰值电压相 差越远，输出功率相差越大，如图 7 所示：图 7 弱辐射时太阳能输出功率对比图图 7 是太阳能电池板在某温度及较弱太阳辐射强 度下的伏安特性曲线示意图。太阳能电池板工作电压 大于峰值功率电压时，随着工作电压的提高，则输出 电流急剧下降，输出功率亦急剧下降。图 7 中 A 点是 最大功率工作点，面积 (1) 和面积 (2) 之和为该条件 下的最大输出功率。由于蓄电池的钳压作用，对 12V蓄电池系统，B 点为实际太阳能电池板的工作点。面 积 (3) 和面积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池 板的输出功率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传 统的二极管式充电电路所损失的功率。 (3) 只有在太阳能电池板峰值功率处的电压与当前状态蓄电池电压相等时，太阳能电池板实际输出功 率才是太阳能电池板当前条件下峰值输出功率。而实 际工作情况下，太阳能电池板峰值功率处电压与当前 状态蓄电池电压相等的时间几乎可以忽略不计。系统 工作时，绝大部分都是处于前面两种状态。 为最大效率利用太阳能，必须设计电路系统在蓄 电池电压和太阳能电池峰值电压功率不停变化时能自 适应，使太阳能电池板始终工作于最大功率处。考虑 到太阳能电池峰值电压随温度及太阳能辐射强度变化 而变化， 而系统所用蓄电池规格可以是 12V 也可能是 24V。只具有升压或降压等单一功能的 Buck 和 Boost 并不能满足上述要求，既能升压又能降压的拓扑结构 为更佳选择。 可以知道既能升压又能降压的电路拓扑有 Buck- Boost 变换器、Cuk 变换器和 Speic 变换电路等。这三 种变换电路最大区别在于Buck-Boost变换器和Cuk变 换器都是输出电压与输入电压极性相反，而 Speic 变 换电路是输入输出同性。由于系统的 MCU 由蓄电池 供电，并且需要经常检测太阳能电池板的电压等，若 太阳能电池板输入电压和蓄电池电压极性相反，给整 个系统设计带来很多不便，选用 Speic 变换电路问题 便迎刃而解。基于 MCU 为控制器的充电电路子系统 如图 8 图所示。图 8 基于 MCU 的硬件电路原理图电流/A太阳能电池112D2蓄电池32C 8 0 5 1 F 3 4 0PWM电压ADC 控制算法ADC串行通讯实时时钟电压电流 电流传感器电压/V电压/V 37 2010 年 6 月光 源 与 照 明2010 年第 2 期对于 Speic 变换电路，关键的电路器件参数在于 电感1、2，耦合电容2、输出电容3，开关管 T 及 二极管 D2。各器件参数设计如下： Speic 变换电路的传递函数是：0=in1(3)对于本系统，采用的太阳能电池板是 50 W 最大 功率峰值电压是 18V，蓄电池是 24V。考虑到太阳能 电池板的峰值电压随太阳辐射强度变化而变化，蓄电 池端电压也随着其蓄电状态变化而变化， 作如下设计： 输入：1320 V 输出：2428.8 V 由于二极管存在压降，依传递函数有=+ +(4)故可得max与min：max=+ +=28.8+0.5 13+28.8+0.5=0.693(5)min=+ +=24+0.5 20+24+0.5=0.551(6)若电感1、2单独绕制，具体电感量由下式决定:1=2= max(7)其中， 为电流的纹波增量取 0.6 A, 为系统的工作频率为 97kHz。 由上式不难算出电感量，取 20%裕量，最终选择 0.3 mH。若电感采用共轭绕法代替两个单独的电感， 则电感量可减半。 电感2的峰值电流由蓄电池最大充 电电流决定。对于本系统，太阳能电池板功率为 50W， 蓄电池为 24V，则最大充电电流可取 3A。电感1的 峰值电流由太阳能电池板的最大充电电流决定，对于 该规格峰