3太阳电池最大功率点跟踪研究

第 12卷第 2期2009年 4月西安文理学院学报 :自然科学版Journal of Xi ’an University of A rts 2. 榆林学院 物理系 ,陕西 榆林 719000 )摘 要 :提出了采用最大功率点跟踪技术提高太阳电池的输出功率 . 跟踪器实时调整太阳电池的输出电压和电流 ,使其工作在最大功率点上 . 建立了最大功率跟踪的测量装置 ,并可直接对比有 、 无跟踪条件下的输出功率 . 本实验条件下 ,采用最大功率跟踪后 ,其平均功率增益可达 10. 61%.关键词 :太阳能 ;最大功率 ;输出中图分类号 : TM615 文献标识码 : A在太阳能光伏发电系统中 ,其光电转换效率一直是人们研究的热点问题之一 . 太阳能光伏阵列的输出功率不仅受日照强度和环境温度的影响 ,还受其他因素的影响 [ 1 - 2 ] . 目前 ,提高太阳能光电转换效率的方法主要有两种 :一是提高太阳电池阵列自身的光电转换效率 ,这主要是对太阳电池的材料进行研究 ;另一种是对太阳电池阵列的输出电流和电压进行跟踪 ,以实现最大功率 . 本文主要研究的是对太阳电池阵列的最大功率点进行跟踪 ,具体的方法是在太阳电池阵列和蓄电池之间加入一个最大功率点跟踪器 (MPPT ) ,并建立一个测量系统 ,分别测量太阳电池阵列的输出电流在通过 MPPT和不通过 MPPT两种不同状态下的输出情况 . 通过实验的测量数据来分析最大功率点跟踪对输出功率的影响 .1 太阳电池阵列的输出特性根据半导体光伏效应制成的太阳电池 ,是将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件 [ 3 ] ,其输出特图 1 太阳电池的输出伏安特性性与入射光的光照强度和环境温度等因素有关 . 在一定的光照强度 (0. 8 kW /m2 )和环境温度 (25 o C)下 ,单体太阳电池的输出伏安特性曲线如图 1[ 4 ]所示 :太阳电池的输出伏安特性曲线是非线性的 ,输出功率曲线也是非线性的 ,且具有非对称的特点 [ 5 ] . 由图可以看出 ,太阳电池是典型的非稳定电源 .单体太阳电池经过串并联组成适合各种需要的太阳能阵列 ,由于太阳能阵列是单体太阳电池的物理组合 ,在忽略连线损耗和组件差异的条件下 ,太阳能阵列具有与单体太阳电池类似的特性 [ 5 ] .由图 1还可以看出 :当太阳能阵列输出电压比较小时 ,随着电压的变化 ,输出电流的变化很小 ,太阳能阵列类似为一个恒流源 ;当电压超过一定的临界值继续上升时 ,电流急剧下降 ,此时的太阳能阵列类西安文理学院学报 :自然科学版 第 12卷似为一个恒压源 . 太阳能阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个先升后降的过程 ,在此过程中存在一个输出功率最大点 [ 6 ] ,即最大功率点 .2 最大功率点跟踪 (M PPT)2. 1 实验原理最大功率点跟踪本质上是一个寻优的过程 ,通过实时检测光伏系统的输出电压和输出电流 ,来确定当前工作点与最大功率点的位置关系 ,然后控制电压向对应于最大功率点的 V m靠近 ,直到到达峰值功率点为止 [ 5 ] ;若电压继续增大 ,则输出功率下降 ,因此调整输出电压 ,使其控制在最大功率点附近 ,以达到最大功率输出 .2. 2 实验装置实验装置方框图如图 2所示 ,实验中使用的太阳电池型号为 KMS - 80,MPPT 型号为 POWERSTAR图 2 实验框图PS - 2012 - SL. 该实验装置主要由四部分组成 :太阳电池阵列 ,最大功率点跟踪器 (MPPT ) ,蓄电池和负载 . 太阳电池阵列是将光能转换为电能 ,其输出电流直接输入在最大功率跟踪器 (MPPT )上 ,MPPT输出的电流与一电流计相连 ,然后再输入至蓄电池 ,进行电能储存 ,蓄电池与负载相连 . 通过调节负载 ,使蓄电池的电压稳定 . 本实验中蓄电池恒压在 12V.2. 3 实验测量测量前 ,在太阳电池阵列和蓄电池之间加一个开关 ,通过开关的闭合和断开可以进行两种电路的切换 . 开关闭合表示太阳能电池阵列输出的电流不经过 MPPT,直接给蓄电池充电 . 开关断开表示太阳电池阵列的输出电流通过 MPPT后给蓄电池充电 . 这样做的目的在于 :能够使太阳电池阵列在两种不同状态下 ,始终工作在一个相同的环境 ,便于测量两种不同状态下的输出情况 . 在 MPPT和蓄电池之间接入电流表 ,测量两种不同状态下各自对蓄电池的充电电流 . 在蓄电池两端接入一个电压表 ,测量两种不同状态下各自对蓄电池的充电电压 .实验测量时 ,考虑到太阳能使用过程白天光照强度及环境条件的变化 ,我们采用了多点测量的方法 ,即测量时在太阳电池阵列正常工作情况下的某个时刻 ,首先断开开关 ,让太阳电池阵列输出的电流通过 MPPT后给蓄电池充电 ,并调节负载使蓄电池的电压为 12V ,记录电流值和电压值 ,计算出其对应输出功率 ;然后闭合开关 ,使太阳电池阵列的输出电流不通过 MPPT,直接给蓄电池充电 ,记录此时的电流值和电压值 ,并计算出相应的功率 . 由此形成了在同一光照及环境温度条件下 ,系统带有 MPPT和无MPPT时的一对测量数据 . 这一对测量数据称之为一个测量点 . 在太阳电池板工作的一天中 ,由于太阳位置及天气的变化 ,太阳的光照强度是一个随时间的变化量 ,系统的输出电压和输出电流也是一个变化量 . 考虑这一变化因素 ,我们在不同时刻 ,采集相应条件下系统带有 MPPT和无 MPPT时的电压和电流值 ,构成相应时刻的测量点 . 按一定的时间间隔 ,可以得到一组不同不同条件下的电压和电流值 ,我们称之为多点测量值 .2. 4 数据分析根据多点测量所得的数据 ,将这些数据以电流值由小到大排列 ,并用 MAT LBA 对这些数据进行处理 ,可得到系统的功率 - 电流图 ( P - I图 ) ,其结果如图 3所示 . 由图可以看出 :虽在不同电流条件下 ,系统的输出功率不同 ,但带有 MPPT的太阳电池阵列的输出功率总大于不带 MPPT的太阳电池阵列的输出功率 . 这说明当加入 MPPT后 ,MPPT 能够及时调整其工作点 ,使系统的工作状态得以优化 ,从而实现对太阳能的最大功率点进行跟踪 ,使得太阳能的转换效率得以提高 .2. 5 增益计算设带有 MPPT功能的太阳电池阵列的输出功率为 PM PPT ,不带有 MPPT功能的输出功率为 P,则系统85第 2期 王武军 ,等 :太阳电池最大功率点跟踪研究图 3 两种不同状态的 p - I图的增益 G可定义为 :G = ( PM PPTP - 1) × 100%根据增益公式的定义 ,可以计算出每个测量点上的增益值 .对于多点测量 ,计算出各测量点上的增益值后 ,然后求出其平均值 . 在本实验条件下 ,实现最大功率点跟踪以后的输出功率增益平均值为 10. 61%.3 结论(1)对于给定的太阳电池及给定的电池工作环境 ,提出了用最大输出功率跟踪的方法提高太阳电池的输出功率 ;(2)太阳电池阵列与蓄电池之间加入最大功率跟踪器(MPPT) ,MPPT可以实时调节太阳电池阵列的输出电压和电流 ,以保证其实时工作在最大输出功率点上 ;(3)建立了太阳能最大功率点跟踪的测量装置 ,并且能够在相同环境条件下实时对比有最大功率跟踪和无最大功率跟踪的情况下太阳能的输出 ,在本实验条件下 ,采用最大功率跟踪 ,太阳能的输出功率增益可达 10. 61%.[参 考 文 献 ][ 1] 岑长岸 ,张淼 .基于组态优化的光伏阵列最大输出功率控制 [ J ]. 可再生能源 ,2008, 26 ( 3) : 27 - 30.[ 2] 赵宏 ,潘俊民 .基于 Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪系统 [ J ]. 电力电子技术 , 2004, 38 (3) : 55 - 57.[ 3] 李海雁 ,杨锡震 .太阳能电池 [ J ]. 大学物理 , 2003, 22 ( 9) : 36 - 41.[ 4] 曹倩茹 . 光伏发电的最大功率跟踪研究 [D ]. 西安 :西安科技大学 , 2006: 10 - 11.[ 5] 刘永军 ,万频 ,王东海 ,等 .自适应模糊算法在光伏系统 MPPT 中的应用 [ J ]. 太阳能学报 , 2008, 29 (6 ) : 657 - 661.[ 6] 陈兴峰 ,曹志峰 ,许洪华 ,等 . 光伏发电的最大功率跟踪算法研究 [ J ]. 可再生能源 , 2005 (1) : 8 - 11.[责任编辑 马云彤 ]Study on the M ax im um Power Po in t Track in g of Solar CellWANG W u2jun1 ,M IAO Run 2cai1 , GAO Jun2li1 ,L I Zeng2sheng2( 1. Institute of Physics and Informati on Technology, Shaanxi Normal University, Xi ’ an 710062, China;2. Departm ent of Physics, Yulin College, Yulin 719000, China)Abstract: A technology of maximum power point tracking to increasethe solar cell power output is put forward.The tracking device real2time adjust the output voltageand current of the solar cell, so that the solar cell worksat the maximum power point. The measurement system of maximum power point tracking, which can be used tocompare the data of the output power in the caseof the system with MPPT and without MPPT directly, is con2structed. The power gain of the system with MPPT may reachat 10. 61% under this experimental condition.Key words: solar energy; maximum power; output95