常見問題

現(xiàn)在大家日益重視節(jié)能減排,由于太陽能是一種資源豐富且無污染的能源,其研究利用引起各界的重視,許多公司都在加大投入研發(fā)利用太陽能。我國(guó)煤礦眾多,占地面積大,且位置偏遠(yuǎn),日照充足,所以,高性能的太陽能路燈必然在許多煤礦有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。

太陽能轉(zhuǎn)化成電能目前主要有兩個(gè)問題：第一,只要溫度和光照強(qiáng)度的變化都可能導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化功率產(chǎn)生較大的變化;第二,太陽能電池把光能轉(zhuǎn)換成電能的效率低。所以,太陽能光伏系統(tǒng)的基本要求是充分利用太陽能電池所產(chǎn)生的能量。該研究在光伏電池和蓄電池之間加設(shè)最大功率點(diǎn)跟蹤控制裝置,使發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大化,可以有效地利用太陽能。

1 MPPT工作原理

MPPT實(shí)現(xiàn)最大功率的方法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、恒定電壓跟蹤法等,該設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)正常工作。采用擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)是控制思路簡(jiǎn)單易操作,實(shí)現(xiàn)比較的容易,實(shí)現(xiàn)了跟蹤并控制最大功率點(diǎn),使得光伏系統(tǒng)的利用效率大大提高。

光伏電池的輸出功率和其工作電壓有關(guān),只有工作在最合適的電壓下,它的輸出功率才會(huì)有個(gè)唯一的最大值。

MPPT其實(shí)是一個(gè)自尋優(yōu)的過程,當(dāng)太陽能電池陣列特性和負(fù)載特性的交點(diǎn)位于陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓Um左邊時(shí), MPPT的控制作用是提高太陽能電池工作電壓,而當(dāng)兩者的交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓Um右邊時(shí),MPPT的控制作用是降低太陽電池工作電壓,圖1說明了這個(gè)控制的過程。日照強(qiáng)度和溫度在很大程度上影響著太陽能陣列的開路電壓和短路電流,整個(gè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)變化很大,肯定會(huì)降低系統(tǒng)的效率,所以,太陽能電池陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制,使得太陽能電池陣列在任何日照和溫度下持續(xù)輸出最大功率。

例如：日照強(qiáng)度為1 200 W/m2下,U=18 V,I=1 A;U=22 V, I=0.8 A;U=31 V,I=0.7 A;可見31 V的電壓下輸出功率最大。

MPPT控制器主要功能是把采集到的主回路的直流電壓和輸出電流,通過公式計(jì)算出太陽能陣列的輸出功率,并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤控制,圖2為應(yīng)用擾動(dòng)與觀察法來實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)追蹤控制的示意圖。

串聯(lián)擾動(dòng)電阻R和MOSFET,在輸出電壓基本穩(wěn)定的情況下,通過不斷改變MOSFET的占空比,使得通過電阻的平均電流得到改變,最終引起了電流的擾動(dòng)。于此同時(shí),太陽能電池的輸出電流電壓也將隨著而變化,通過比較擾動(dòng)前和擾動(dòng)后太陽能電池輸出功率和電壓的變化,來控制后續(xù)周期的擾動(dòng)方向的趨勢(shì)。如果擾動(dòng)方向正確,光伏電池板輸出的功率將持續(xù)變大,下一周期則繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng),增加輸出功率;反之,朝相反方向擾動(dòng)。像這樣,循環(huán)執(zhí)行擾動(dòng)與觀察,以此來控制光伏電池板輸出達(dá)到最大功率。

圖1 MPPT的控制過程

圖2 MPPT控制實(shí)現(xiàn)示意圖

圖3 最大功率點(diǎn)跟蹤控制硬件接線圖

圖4 主程序流程圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用PIC16F877芯片為控制芯片,DC/DC升壓電路在最大功率點(diǎn)跟蹤裝置中起著調(diào)節(jié)太陽能輸出給蓄電池的電壓的作用,最大功率點(diǎn)跟蹤控制硬件接線圖如圖3所示。

在DC/DC升壓電路中,第一步通過并聯(lián)100 K,1 K電阻組成電路,并對(duì)1K電阻R1兩端進(jìn)行A/D采集,采集電壓1mU ,間接得到輸出兩端電壓inU=1011mU ,電路右端輸出端電壓0U要求等于右端所需要電壓1U。通過0U=inU /(1-D),計(jì)算出D(1Q的占空比),PWM1需要經(jīng)過上拉電壓15 V和光耦開關(guān)組合后一起來控制Q1。接著通過R3,R4組成的電路采集R4兩端電壓 Um2,間接可以得到 U0=101 Um2,將 U0與 U1比較,就是調(diào)整實(shí)際的 D1,使得D=D-△D或D=D+△D(△D等于PWM脈沖周期的4%),然后經(jīng)過延時(shí)、采集、比較,直到得到精確的占空比D,能夠準(zhǔn)確得到輸出電壓,使得 U0= U1,算出電路總電流I= Um3/R5,所以,太陽能電池輸出總功率P= Uin×I,用改變太陽能電池當(dāng)時(shí)的輸出實(shí)際功率,來實(shí)現(xiàn)MPPT的正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要的控制作用都是由主控制軟件實(shí)現(xiàn)的,主要包括A/D采集模塊,MPPT模塊。系統(tǒng)重點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì),軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單,主程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

整個(gè)系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)芯片為控制芯片來控制A/D采樣,DC/DC升壓,D/A轉(zhuǎn)換,采用最大功率點(diǎn)的跟蹤控制,實(shí)驗(yàn)測(cè)試轉(zhuǎn)換效率由以前的8%左右提高到12%以上。對(duì)于我國(guó)許多煤礦,太陽能路燈具有節(jié)能、環(huán)保、安全、自動(dòng)運(yùn)行等特點(diǎn),還可以成為礦區(qū)的一個(gè)亮化,有著廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。