太陽能最大功率跟蹤技術(shù)研究

陳小軍（審協(xié)江蘇中心,江蘇蘇州215000）

太陽能最大功率跟蹤技術(shù)研究

陳小軍
（審協(xié)江蘇中心,江蘇蘇州215000）

摘要：第三次工業(yè)革命是以能源結(jié)構(gòu)變革為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)能源的體系建設(shè)，隨著環(huán)境壓力的逐漸加大，以傳統(tǒng)化石燃料為核心的能源利用將會逐漸被可再生能源取代，19世紀(jì)中期，太陽能電池板的誕生，揭開了開發(fā)太陽能的新時代。

關(guān)鍵詞：功率;太陽能;跟蹤技術(shù)

目前，人類對于太陽能利用有4中方式，即光熱利用、太陽能發(fā)電、光化利用和光生物利用。光熱利用的基本原理就是利用太陽能收集裝置將輻射熱收集起來轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。

光化利用是利用太陽的熱輻射能來光解水制氫的太陽能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換的方式。光生物利用是植物借助太陽光進(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)的形式。太陽能發(fā)電主要是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的形式，是最具大規(guī)模利用的方式。然而無論是多晶硅還是單晶硅太陽能電池的發(fā)電效率較低，成為阻礙太陽能電池普及的最主要原因，而最大功率跟蹤技術(shù)是提高電池板發(fā)電效率的基本途徑之一。本文首先淺析了太陽能電池模型基礎(chǔ)理論便于讀者了解后續(xù)的最大功率跟蹤技術(shù)，并分析了幾種最大功率跟蹤算法各自的特點，提出了對于跟蹤技術(shù)算法的改進(jìn)措施。

1太陽能電池模型理論

許多專家將太陽電池看作是一個大型的平面二極管，在陽光下產(chǎn)生伏特效應(yīng)，出現(xiàn)直流電，借助逆變器并網(wǎng)成為我們經(jīng)常使用的交流電。本文采用等效電路模型來具體說明太陽能電池能量轉(zhuǎn)換的過程。

圖1太陽能電池的理想等效電路

圖1中IL是入射光產(chǎn)生的恒定電流，是由太陽輻射所激發(fā)的過量載流子形成的；ID是二極管的飽和電流，RL是電路負(fù)荷。這種等效電路的I-V特性為：

其中q為電子電荷量，k為波爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度，Is是相對飽和電流。由此計算得出：

其中A是p-n結(jié)的面積；Nc、Nv分別是導(dǎo)帶和價帶的有效態(tài)濃度；NA、ND是受主雜質(zhì)和施主雜志的濃度；Dn、Dp分別為電子和陽離子空穴的擴散系數(shù)；τn、τp分別是電子和陽離子空穴的活化因子壽命；Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。有以上兩個推導(dǎo)公式可以畫出太陽能電池的明段I-V特性曲線，具體見圖2。

圖2太陽能電池伏特-安培曲線

由此導(dǎo)出了太陽能等效二極管電路的功率公式，找到了影響太陽能電池功率輸出的關(guān)鍵性因素，進(jìn)而為采取最大功率跟蹤技術(shù)奠定了基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)。

2最大功率跟蹤算法的特點

通過一定的技術(shù)手段使得太陽能電池的輸出功率可以滿足負(fù)載的變化，進(jìn)而保障了太陽輻射能的最大化利用，形成了最大功率點技術(shù)。目前最大功率跟蹤算法主要有，固定電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法和智能跟蹤法。

2.1固定電壓跟蹤法

圖3不同日照強度下最大功率點的變化情況

I-V曲線可以看出，當(dāng)太陽輻射強度較高時，不同I-V曲線的最大功率點Pm幾乎可以用一條直線來連接，并分布在垂直線的兩側(cè)，這就在一定程度上反應(yīng)了電池功率計算列陣大致對應(yīng)于某個固定的電壓值，利用這個特性，大大優(yōu)化了系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制設(shè)計。采用固定電壓跟蹤法與不帶有固定電壓跟蹤法的直接耦合的工作運營效率要高一些，對于一般光伏系統(tǒng)有可能增加20%的電能輸出。但是這種跟蹤方式忽略了溫度對矩陣開路電壓的影響，以單晶硅太陽能電池為例，假如外部環(huán)境升高1℃，那么開路電壓就會相應(yīng)減少0.6%。這樣就大大限制了使用時間。目前對于這一問題，可以采用手工調(diào)節(jié)的方式，即通過電位器手動依照不同季節(jié)校正的系數(shù)因子，計算得出不同的Vm，雖然這種方式比較麻煩。固定電壓跟蹤法的優(yōu)點包括：整個電路控制簡單，比較容易實現(xiàn)，可靠性比較高；排除了系統(tǒng)震蕩的干擾，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可重復(fù)性好；有利于借助各種硬件設(shè)備來實現(xiàn)控制。然而也表現(xiàn)出一定的不足，具體分為兩方面：一方面是控制精度較差，特別是對于溫度變化時，控制波動會很大；另一方面，難與應(yīng)對自然惡劣條件的影響。

2.2擾動觀察法

圖4擾動觀察法實現(xiàn)MPPT的過程

借助導(dǎo)數(shù)為0時出現(xiàn)函數(shù)極值的方法來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，由于其是直接的采取控制，就現(xiàn)階段而言，在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在實施過程中依據(jù)圖4所顯示的規(guī)律不斷的給矩陣輸出電壓的脈寬以增加（±ΔU）。設(shè)測得矩陣當(dāng)前輸出功率為Pd，被存貯的前一時刻的記憶功率為Pi，如果想通過乘法器測有：Pd＞Pi，則取U=U+ΔU后重新測定，再比、繼續(xù)修改脈寬；乘法器測有：Pd＜Pi，則取U=U﹣ΔU后重新測定，再比、繼續(xù)修改脈寬。如此循環(huán)下去可以時時搜索到矩陣的最大輸出功率點并動態(tài)的保持它。在進(jìn)行尋優(yōu)搜索的程序過程中引入一個參考電壓Uref，是為了讓Ud不斷的跟蹤它，通過對尋優(yōu)結(jié)果不斷更新Uref，使得它越來越接近矩陣最大功率點的電壓Um，Ujj為前兩次矩陣電壓的采樣結(jié)果。由于矩陣特性的I=f（U）關(guān)系是一個單值函數(shù)，因此只要保持矩陣的輸出電壓在任何太陽輻射強度下及不同溫度下，都能夠?qū)崟r的維持與此環(huán)境下對應(yīng)的Um值，就一定可以保證矩陣在任何瞬間都輸出其最大功率。優(yōu)點：簡單、易操縱，跟蹤較準(zhǔn)確；不足之處，只能限定在Um附近震蕩運行，造成跟蹤步長，容易導(dǎo)致部分功率損失。從小步長來對太陽能電池的輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，通過檢測輸出功率的變化來確定下一步的控制方向是擾動觀察法的精髓所在。

2.3電導(dǎo)增量法

通過對太陽能電池的P-V曲線進(jìn)行建模，得出相關(guān)程度較高的函數(shù)關(guān)系，建立函數(shù)方程，有數(shù)學(xué)導(dǎo)數(shù)理論知識可知，太陽能電池最大輸出功率點處對應(yīng)的斜率為0。根據(jù)功率與電壓、電流的公式，在滿足太陽能電池達(dá)到最大功率點的條件必然會使得，輸出功率特性斜率與太陽能輸出的電導(dǎo)互為相反數(shù)的時，此時對應(yīng)的功率點即為該太陽能電池最大輸出功率點。根據(jù)P-U曲線又分為單峰值跟蹤和多峰值跟蹤。算法中通過電流對電壓求導(dǎo)，并將太陽能電池的瞬間電導(dǎo)值與函數(shù)求導(dǎo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，進(jìn)而確定下一次的變動，一旦滿足輸出功率特性斜率與太陽能輸出的電導(dǎo)互為相反數(shù)的時，立刻需要停止擾動。電導(dǎo)增量法雖然借助了數(shù)學(xué)函數(shù)相關(guān)的應(yīng)用和概念，對于太陽能輸出的最大功率點進(jìn)行較為科學(xué)的計算，然而，此法在對單峰值跟蹤時，表現(xiàn)出較高的測量準(zhǔn)確性，簡單易操作，然而對于建立模型函數(shù)的多峰值跟蹤，只能從一個大體范圍來計算并得出太陽能電池的最大輸出功率點值所在的數(shù)據(jù)區(qū)間，而此時將大大增加控制算法的工作量，計算體系較為復(fù)雜，跟蹤到最大功率點的周期將要延長，這樣就大大降低了跟蹤技術(shù)的跟蹤效率。

2.4智能算法

智能算法是基于以模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的高效數(shù)據(jù)分析、計算方法。模糊計算是基于模糊邏輯和模糊理論體系的控制算法。所謂模糊控制，實際上是一種非線性的數(shù)據(jù)控制，它是智能算法的主要組成之一，為此本文重點分析模糊控制對于太陽能電池最大功率點的跟蹤技術(shù)特點。首先談?wù)勀：刂频臍v史發(fā)展，便于更好的理解此法控制Um的基本思路和原理。模糊控制最大的特點就是擁有大量的實際應(yīng)用案例和背景。在近二十年，模糊控制無論從理論體系的完備還是控制太陽能電池技術(shù)上，都取得了巨大的進(jìn)步，成為智能控制領(lǐng)域一個及其重要的分支。根據(jù)模擬控制的基本原理，對于變量x（設(shè)為太陽能電池的電流值或電壓值均可），將功率轉(zhuǎn)換比設(shè)為D，將變量x定義成模糊控制算法的函數(shù)變量，以功率建立關(guān)于x的函數(shù)，通過不斷的重復(fù)性運算，擴大限制條件的搜索范圍，保證結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。如果有，f﹛Xi1﹜＜f﹛Xi2﹜，將計算搜索范圍右移；如果f﹛Xi1﹜＞f﹛Xi2﹜，將計算搜索范圍左移，這樣后續(xù)過程與擾動觀察法的步驟相近，通過縮小搜索范圍的形式，逐漸將太陽能電池最大功率點跟蹤出來，確定其具體值。這種算法的優(yōu)點是函數(shù)簡單，使用范圍廣、搜索范圍寬、處理運算效率高，相對于其他方法是比較好的選擇。

3跟蹤算法的具體該改進(jìn)措施

通過對不同最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，單個使用跟蹤算法均存在各自的缺陷，為了增加搜索、確定最大功率點的高效性和精確性，必須要通過結(jié)合至少兩種的方法來復(fù)合成一種“新型的”、全面的MPPT方法，互相彌補各自的不足，這樣就能解決現(xiàn)實檢測的問題，為提高太陽能的最大輸出功率奠定理論基礎(chǔ)。在針對太陽輻射強度和矩陣溫度時，使用電導(dǎo)增加法與模糊控制相結(jié)合；針對大氣環(huán)境的適度，可將固定電壓法與擾動觀察法相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

4結(jié)論

太陽能電池是一種典型的非線性半導(dǎo)體有源器件，其最大功率的輸出特性是以太陽光下為參數(shù)的具有垂直特性的曲線族。通過對跟蹤技術(shù)及其算法的優(yōu)缺點對比，本文提出了多種算法根據(jù)具體情況相結(jié)合，通過各個技術(shù)的優(yōu)勢互補，提高最大功率和發(fā)電效率。

參考文獻(xiàn)：

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[3]候聰玲。太陽能最大功率跟蹤技術(shù)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2014(3).

作者簡介:陳小軍(1985-)，男，江蘇姜堰人，本科，專利審查員，研究實習(xí)員。