淺論光伏太陽(yáng)能充電控制器的研究

楊馬芳

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著我國(guó)可持續(xù)資源戰(zhàn)略的推廣，風(fēng)力、光伏等新型發(fā)電方式有著極大的挖掘潛力。光伏太陽(yáng)能充電控制器的應(yīng)用是在新型能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化的現(xiàn)有效率上進(jìn)行提高的完善技術(shù)。為了保證風(fēng)力、光伏等新型發(fā)電方式的穩(wěn)定性與平衡性，推廣光伏太陽(yáng)能充電控制器技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)電能系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展資源戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)概述

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的分類

1.1.1 光熱電三者之間的轉(zhuǎn)換方式

光、熱和電三者之間的轉(zhuǎn)換方式的主要依靠以采集太陽(yáng)能為主的集熱器和蒸汽發(fā)電機(jī)共同作用，從而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過程。具體原理是：集熱器采集太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)換成熱量?jī)?chǔ)存在相關(guān)媒介中，然后儲(chǔ)存媒介中的熱能通過高溫使水發(fā)生形態(tài)變化，從而使得氣態(tài)水驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)電機(jī)[2]。這種發(fā)電方式與我國(guó)的煤炭發(fā)電站采取了同一原理，區(qū)別在于媒介與介質(zhì)吸收的能量單位不同。但是由于太陽(yáng)能光變換成熱，再由熱到電的轉(zhuǎn)換方式效率低下，因此并沒有作為調(diào)節(jié)電氣的關(guān)鍵技術(shù)得到大面積的推廣與應(yīng)用。

1.1.2 光到電的轉(zhuǎn)換方式

光到電的轉(zhuǎn)換方式又被稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，其過程是利用太陽(yáng)能電池直接將能源轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在蓄電池之中。太陽(yáng)能電池是利用光化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是一種以在可見光或紫外線的條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化技術(shù)，主要應(yīng)用于太陽(yáng)能儲(chǔ)能領(lǐng)域。其原理是通過光響應(yīng)化合物偶氮苯類分子利用自身光異構(gòu)化的特性進(jìn)行太陽(yáng)能的儲(chǔ)存與釋放[3]。

傳統(tǒng)的光到熱，熱到電的轉(zhuǎn)換方式是通過比熱容材料進(jìn)行熱能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)能量的傳輸過程，主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、穩(wěn)定好，因而被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，但無(wú)法在電氣工程領(lǐng)域中承擔(dān)關(guān)鍵性調(diào)節(jié)角色，因此我國(guó)采取以光響應(yīng)化合物偶氮苯類分子為主的新型光化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行可逆性能量轉(zhuǎn)化[4]。

因此太陽(yáng)能發(fā)電又稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能電池板是依靠光化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)從而在可見光或紫外線條件下產(chǎn)生直流的發(fā)電裝置，其成分幾乎全部是自身?yè)碛泄猱悩?gòu)性的半導(dǎo)體物料，在使用中光響應(yīng)化合物作為以分子單位為主的可逆性能量轉(zhuǎn)化基本沒有任何的活動(dòng)部分，因此可以避免長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)引起的安全事故。

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過光→電的轉(zhuǎn)換方式，利用太陽(yáng)能電池直接將能源轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存的發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)自身規(guī)模的應(yīng)用分為獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)[5]。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)?？缍染薮螅瑥募矣眯⌒拖到y(tǒng)到節(jié)點(diǎn)發(fā)電站應(yīng)用，其涉及領(lǐng)域也包含到人類活動(dòng)的各個(gè)角落，在生產(chǎn)、出行、家庭、社交等眾多領(lǐng)域都有太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的存在。而獨(dú)立的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器等構(gòu)件[6]。

2 太陽(yáng)能電池概述

2.1 太陽(yáng)能電池的工作原理

太陽(yáng)能電池的工作原理依靠以半導(dǎo)體為基本材料的光生伏特效應(yīng)。光生伏特應(yīng)就是在可見光與紫外線的條件下，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的過程。因此，在太陽(yáng)能電池采集太陽(yáng)能時(shí)，太陽(yáng)能電池內(nèi)的半導(dǎo)體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而使得半導(dǎo)體內(nèi)特定區(qū)域形成負(fù)載電流與電機(jī)區(qū)域。從太陽(yáng)能電池的工作原理與光生伏特效應(yīng)的形成可以看出太陽(yáng)能電池的工作效率是隨機(jī)的，并且受到可見光與紫外線照射時(shí)間的制約[7]。

2.2 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

由于太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理受到可見光與紫外線照射時(shí)間與強(qiáng)度的制約，因此太陽(yáng)能電池?zé)o法在保持理想的情況下進(jìn)行恒定的電荷荷載運(yùn)動(dòng)。為了保證太陽(yáng)能電池能夠得到全面應(yīng)用與推廣，我國(guó)能源領(lǐng)域?qū)W者通過研究發(fā)現(xiàn)：可見光或紫外線垂直照射太陽(yáng)能電池采集設(shè)備會(huì)使得太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大化。

但是太陽(yáng)光的照射角度與強(qiáng)度受到地球運(yùn)轉(zhuǎn)與氣候等因素的影響，使得固定材料的太陽(yáng)能電池隨著時(shí)間與地點(diǎn)的不同從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率的不同。因此現(xiàn)在世界上許多大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電站采用太陽(yáng)能跟蹤器控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能進(jìn)行實(shí)況追蹤[8]。

3 蓄電池概述

3.1 蓄電池的工作原理

蓄電池作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)重要組成成分不僅要求使用壽命長(zhǎng)還必須具備便攜、穩(wěn)定、可靠、安全等優(yōu)勢(shì)。另外蓄電池其他涉及領(lǐng)域伴隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也包含到人類活動(dòng)的生產(chǎn)、出行、家庭、社交等各個(gè)角落。我國(guó)蓄電池技術(shù)的發(fā)展歷史從鉛酸蓄電池存在揮發(fā)、泄露引起的安全問題到以VRLA蓄電池為代表的免維護(hù)、可調(diào)節(jié)的新型技術(shù)，使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)伴隨著蓄電池技術(shù)的進(jìn)步而得到應(yīng)用推廣[9]。

蓄電池的工作原理是以電化學(xué)可逆方程式為基礎(chǔ)。以簡(jiǎn)單的鉛酸蓄電池為例，在理想狀況下，充電時(shí)，鉛酸蓄電池正極由硫酸鉛與水反應(yīng)電解為二氧化鉛，同時(shí)生成鉛與硫酸；而電能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存在鉛酸蓄電池的正極板中，而負(fù)極的硫酸鉛則保持電荷守恒的原理，通過電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方式，硫酸鉛在負(fù)極板上生成鉛。而在放電時(shí)，遵循電化學(xué)方程式的可逆性，正極板的二氧化鉛通過電荷的負(fù)載與移動(dòng)轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，同時(shí)化學(xué)能將變成電能并伴隨電荷的運(yùn)動(dòng)向負(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電。

3.2 蓄電池的應(yīng)用

蓄電池在太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用必須考慮到蓄電池本身的容量大小，相對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)化的電能，過多過少的電能容量都會(huì)對(duì)蓄電池本身的使用壽命與效率造成一定的影響。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是以可見光與紫外線作為反應(yīng)條件，因此功率受到氣候與時(shí)間影響變?yōu)殡S機(jī)不確定的因素，而蓄電池為了保障自身的使用壽命與工作效率，因此也需要對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的效率做出同步性追蹤[10]。

在不考慮以溫度與控制器為代表的其他影響因素下，單以太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的隨機(jī)性作為不可控因素進(jìn)行假設(shè)，確定蓄電池容量大小的方式如下：

蓄電池容量=（自給天數(shù)*每日平均負(fù)載）/最大放電深度

其中自給天數(shù)作為在天氣極端惡劣的情況下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)無(wú)法依照可見光的條件下進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致蓄電池?zé)o法完成電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。

4 光伏太陽(yáng)能充電控制器的研究

4.1 光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)的概念

光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池、BUCK變換器、信號(hào)采集電路、蓄電池、MCU（MPPT）控制器、驅(qū)動(dòng)電路（見圖1）。

圖1 光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of photovoltaic solar charging controller system

光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)的工作流程包括：太陽(yáng)能電池以太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將光能轉(zhuǎn)化為電能，并通過以BUCK變換器為主的媒介，將電能儲(chǔ)存到蓄電池之中；同時(shí)信號(hào)采集電路根據(jù)需求指令進(jìn)行電路電荷的路線與速度；MCU（MPPT控制器）根據(jù)信號(hào)采集電路的變化需求，通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器媒介的控制，最終影響對(duì)蓄電池及太陽(yáng)能電池的充放電。

4.2 光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)的應(yīng)用

光伏太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)是通過電路的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電池電壓的最終控制，并且還保留應(yīng)對(duì)蓄電池電壓升高的風(fēng)險(xiǎn)從而下達(dá)中斷的指令。傳統(tǒng)單一的控制器只能控制電路啟動(dòng)與終止,通過對(duì)電路的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的控制。在大多數(shù)光伏太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用中都用到了相關(guān)控制器以保護(hù)蓄電池免于溢出或高壓的狀態(tài)。高壓可能使電池中的電解液汽化，造成故障，而溢出狀態(tài)會(huì)引起電池過早失效。兩種狀態(tài)均有可能損害蓄電池負(fù)載。所以控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，也是平衡系統(tǒng)的主要部分。

傳統(tǒng)的庭院式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器，需要針對(duì)信號(hào)采集與主控制模塊兩個(gè)方面重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在傳統(tǒng)采集電路具有消耗高、精度低的缺點(diǎn)，使得其外圍器件需要簡(jiǎn)單、低功耗與高精準(zhǔn)的電流信號(hào)采集電路；而在主系統(tǒng)控制模板的選擇上，需要選用具備高性能的微處理器系統(tǒng)作為主控芯片；同時(shí)在軟件設(shè)置上，需要自主對(duì)蓄電池的剩余電量選擇充電方式，并且考慮到蓄電池的保護(hù)控制與系統(tǒng)故障處理。而在控制器系統(tǒng)的選擇上，智能型控制器與最大功率跟蹤型控制器具備遠(yuǎn)距離與微型智能的優(yōu)點(diǎn)，但考慮到成本的投入與生產(chǎn)力的限制，市場(chǎng)上常見的庭院式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器多采用串聯(lián)型與并聯(lián)型。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類產(chǎn)業(yè)對(duì)以“電”為代表的能源需求量也愈來(lái)愈多。為了保證人類生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展可持續(xù)再生能源并提高能源利用轉(zhuǎn)化效率成為解決生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑。太陽(yáng)能作為人類應(yīng)用最廣、功率最大的能源之一。通過光伏太陽(yáng)能充電控制器技術(shù)銜接太陽(yáng)能電池與儲(chǔ)能媒介的中樞，對(duì)我國(guó)更好地利用太陽(yáng)能資源與提高利用效率具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。