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          兼顧效率與成本的太陽能系統(tǒng)的設(shè)計

          作者: 時間:2018-08-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          是綠色能源,而且是免費(fèi)的,但是可能常常不太可靠。溫度變化會導(dǎo)致電池板的 最佳提供點(diǎn)偏移,此外,設(shè)備老化、局部光照被遮擋、日落、被動物糞便污染等,都可能妨礙電池板的性能?;谶@些可靠性和可變性問題,幾乎所有太 陽能供電設(shè)備都采用可再充電電池,以提供備分電源;過去一度僅使用鉛酸電池,現(xiàn)在所用電池種類已經(jīng)擴(kuò)大到包括鋰電池了。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387665.htm

          太陽能供電應(yīng)用之所以配備再充電系統(tǒng),是為了盡可能汲取更多的太陽能,以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態(tài)。此外,當(dāng)太陽能電池板得到的光照很少或沒有光照時,電池漏電大小就至關(guān)重要,無論何時只要可能,就應(yīng)該減到最少。

          顯 然,太陽能供電應(yīng)用正處于成長階段?,F(xiàn)在有各種不同尺寸的太陽能電池板可為各種各樣的創(chuàng)新應(yīng)用供電,例如人行橫道標(biāo)志燈、垃圾壓實(shí)機(jī)、海上浮標(biāo)燈等;有些 太陽能供電應(yīng)用采用的電池是深度循環(huán)類電池,能承受很多個反復(fù)充電周期以及深度放電,這類電池常見于離網(wǎng)(即與電力公司電網(wǎng)斷開)可再生能源系統(tǒng),例 如太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。就離網(wǎng)系統(tǒng)而言,系統(tǒng)運(yùn)行時間非常重要,因為這類系統(tǒng)并不易靠近。

          太陽能電池板基礎(chǔ)知識

          就 一定量的光能和工作條件而言,太陽能電池板在某一特定輸出電壓上產(chǎn)生峰值輸出。圖1所示為由七十二節(jié)電池組成的太陽能電池板,在電池板溫度為60°C 時的特性。虛線代表電池板的I-V曲線,X軸表示電池板電壓。實(shí)線表示當(dāng)電池板電壓從0V變化到電池板開路電壓時電池板產(chǎn)生的輸出;電池電壓變化是用 簡單的負(fù)載箱實(shí)現(xiàn)的。

          圖1 在不存在局部光照被遮擋的情況下,給定太陽能電池板的簡單功率曲線。

          就此處所述這一特定情況而言,最大功率點(diǎn)在32V,該電池板可提供140W功率。如果允許電池板溫度變化,在真實(shí)情況中這當(dāng)然是允許的,那么最大功率點(diǎn)可能在大熱天的28V到寒冷冬天的44V之間變化。

          很多較簡單的太陽能充電系統(tǒng)會 將電池板電壓工作點(diǎn)設(shè)定為固定值;在上述特定電池板情況下,這類較簡單的系統(tǒng)會將電池板工作點(diǎn)設(shè)定到32V,以在給定溫度時汲取最大功率,而這個例子的溫 度為60°C。不過,當(dāng)電池板溫度變化時,會浪費(fèi)大量功率,因為電池板不在真正的最大功率點(diǎn)上工作了。在這類情況下,可能會浪費(fèi)20-30%以上的可用功 率。

          使情況變得更糟的是,按照已實(shí)行的安全標(biāo)準(zhǔn),大多數(shù)電池板必須在太陽能電池數(shù)組中裝上旁路二極管;這么做的原因,是當(dāng)部分電池板被遮住而得不到太陽光照射,而其他部分得到充足陽光照射時,太陽能電池板會有一些特殊情況發(fā)生。

          這 時,被遮住的太陽能電池是反向偏置的,但其中仍然有很大的電流流過,因為其他得到充足光照的電池正在提供電流,被遮住的電池溫度可能上升,這有可能造成火 災(zāi)。為了幫助降低火災(zāi)風(fēng)險,制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖2顯示在上述七十二節(jié)電池的太陽能電池板上,旁路二極管是怎樣放置的。

          圖2 出于安全考慮,七十二節(jié)電池的太陽能電池板上放置了三個旁路二極管。

          由 于電池板中存在旁路二極管,當(dāng)部分電池板被遮擋時,就可能出現(xiàn)復(fù)雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況,其中出現(xiàn)了兩個局部最大功率點(diǎn),一個在21V電壓 處,另一個在37V電壓處。如果采用前述簡單的32V功率點(diǎn)設(shè)定方法,那么可獲得79.4W功率,而不是在真正最大功率點(diǎn)21V上可獲得的90.1W;這 表明在這種情況下?lián)p失了13.5%的功率。顯然可跟蹤真正最大功率點(diǎn)并在其上工作的系統(tǒng)會有卓越功率表現(xiàn)。

          圖3 當(dāng)太陽能電池板被部分遮擋時,會產(chǎn)生較復(fù)雜的功率曲線。

          太陽能供電可再充電電池系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)

          太陽能電池板的典型效率約在5-15%之間。考慮到較大型(即更強(qiáng)大)的電池板成本更高,所以太陽能供電設(shè)計必須最大限度提高效率,以最大限度降低系統(tǒng)總體成本。

          太陽能供電產(chǎn)品要有效收集太陽能,其設(shè)計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入,同時還能夠使太陽能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。并且,該設(shè)計必須能夠為該產(chǎn)品選擇安全的化學(xué)組成電池充電。

          在太陽能充電系統(tǒng)中,還會遇到其他設(shè)計問題嗎?就任意給定太陽能供電系統(tǒng)而言,固件開發(fā)和調(diào)試可能需要大量時間,如果太陽能電池板的最佳功率提供點(diǎn)可以低于、等于或高于電池電壓(這是非常常見的情況),那么會需要更加復(fù)雜的升降壓拓?fù)洹?/p>

          升 降壓拓?fù)湓试S真正的雙向隔離(相較于降壓型拓?fù)?,如果電池板沒得到光照,那么它可能透過NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量)。為保護(hù)電池,須要恰當(dāng) 的電壓終止。最后,既然電池板不是可靠的電源,那么就需要電池原地充電(充電器給電池饋電,且負(fù)載連接到電池),在這種情況下,電池既是電源,又做為緩沖 器使用。

          最大功率點(diǎn)追蹤提升太陽能系統(tǒng)發(fā)電量

          太陽能電池板可能在某些非理想環(huán)境條件下工作,如電池板部分被遮擋(樹葉、鳥糞、陰影、雪等)、電池板的溫度變化、電池板老化等;最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)這種方法有助于在所有工作條件下,從太陽能電池板汲取最多能量。

          在離網(wǎng)太陽能電池板系統(tǒng)中,電源系統(tǒng)故障代價高昂,客戶希望盡可能從電池板汲取最多能量。此外,他們希望最大限度延長兩次太陽能供電系統(tǒng)維護(hù)之間的正常運(yùn)行時間。

          真 正的主動最大功率點(diǎn)追蹤會找出所有條件下的最佳工作點(diǎn),這會降低系統(tǒng)總體成本,因為可以使用最小的電池板或最小的電池,從而減少過度設(shè)計系統(tǒng)的需求。真正 的MPPT會發(fā)現(xiàn)最佳峰值功率點(diǎn),并剔除假的局部最大功率點(diǎn),這種局部最大功率點(diǎn)在部分被遮擋的電池板中很常見(電池板部分被遮擋時的供電模式由電池板內(nèi) 部旁路二極管的數(shù)量和安排決定)。

          解決上述問題的IC充電解決方案,須要具備以下特性,即使不是全部、也必須囊括許多特性:

          ● 最短的軟件和固件開發(fā)時間

          ● 彈性的升降壓拓?fù)?/p>

          ● 主動MPPT算法

          ● 簡單、自主運(yùn)行(無需微處理器)

          ● 因應(yīng)各種不同電池化學(xué)組成的終止算法

          ● 原地充電--向負(fù)載供電的同時給電池充電

          ● 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源

          ● 寬輸出電壓范圍以應(yīng)對多個電池組

          ● 高輸出/充電電流

          ● 小型、扁平解決方案

          ● 先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間占用效率

          ● 成本效益的解決方案


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          關(guān)鍵詞: 功率 太陽能

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