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独立光伏路灯系统m p p t 控制器设计 摘要 在能源日渐桔竭与环境污染日益严重的今天，光伏利用成为世界各国竞相发 展的领域。因而光伏并网发电与独立光伏系统得到迅速地发展，特别是能为偏远 用户提供电力的独立光伏系统成为国家投资的重点。 本论文以独立光伏路灯系统为研究对象，为降低系统成本，提高系统的性价 比，从光伏阵列的特性和应用最为广泛的阀控铅酸蓄电池( v r l a ) 的物理、化学特 性，以及光伏最大跟踪原理等方面进行深入探讨和研究。主要研究如下： 1 综述了国内外独立光伏系统发展现状。 2 分析了光伏阵列工作原理，影响光伏阵列的外界因素；以及蓄电池充、放 电过程中电化学反应机理，制定了合理的蓄电池充电策略。 3 设计出用于光伏阵列m p p t 的d c - i ) c 电路，对光伏系统中的充电控制技术 ( 包括阵列的最大功率点跟踪技术) 进行了研讨。 4 分析了传统的扰动观察法和增量电导法的优缺点，在此基础上提出了一种 改进的变步长寻优算法，实验结果表明这种算法能够快速准确地跟踪最大功率 点。 5 设计出基于一片l p c 2 1 9 4 为核心集光伏阵列m p p t 控制、蓄电池容量预测 及充、放电控制于一体的独立光伏路灯系统控制器。 6 给出了基于嵌入式实时操作系统此o s i i 的程序设计。 实验证明：本文提出的独立光伏路灯系统m p p t 控制器的研究思路、硬件分 析设计以及软件设计是切实可行的。 击键词：独立光伏系统：铅酸蓄电池；最大功率跟踪算法；a r m = “c o s - t t h ed e s i g no fm p p tc o n t r o ii o ro ns t a n d a i o n e p h o t o v oit aics t r e e t la m ps y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o b l e m so f e n e r g ye x h a u s t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , t h ea p p l i c a t i o n o f p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g yh a sb e c o m e an e wf i e l do f t h ew h o l ew o r l d s ot h e 鲥d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i es y s t e ma n dt h es t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i es y s t e m d e v e l o pq u i c k l y e s p e c i a l l y , t h es t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e mh a sb e c o m et h e n a t i o n a le m p h a s i so fi n v e s t m e n t i tc a l ls u p p l yr e s i d e n t sw h ol i v ei nr e m o t ea r e aw i t h p o w e r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cs t r e e tl a m ps y s t e m i no r d e f t or e d u c ec o s to ft h es y s t e ma n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e , w ep a yo u re m p h a s e so n t h ei m p l e m e n t a t i o na b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp h o t o v o l t a i eb a t t e r ya n dc h a r a c t e r i s t i c o ft h ev a l v er e g u l a t e dl e a d a c i db a t t e r y ( v r l a ) ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm p p to f p h o t o v o l t a i cs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a no v e r v i e wo ft h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h es t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i c s y s t e ma th o m ea n da b r o a d 2 t h ep r i n c i p l eo fp h o t o v o r a i es y s t e m ，t h ef a c t o r so fi n f l u e n c i n gt h e p h o t o v o l t a i ca r r a ya n dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ge l e c t r o c h e m i s t r ym e c h a n i s mo ft h e s t o r a g e b a t t e r ya r ea n a l y z e d t h ep r o p e rc h a r g i n gs t r a t e g yi sd e v e l o p e d 3 ac h a r g i n g ( d i s c h a r g i n g ) c i r c u i tf o rs t o r a g eb a t t e r ya n dad c d cc i r c u i tf o r m p p to fa r r a ya r ed e s i g n e d s i m u l t a n e o u s l y , t h ec h a r g i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y ( i n c l u d i n gt h em p p tt e c h n o l o g yf o rp h o t o v o l t a i ca r r a y ) i np h o t o v o l t a i cs y s t e mi s s t u d i e d 4 t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lp e r t u r ba n do b s e r v e a l g n d t h r aa n di n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea l g o r i t h ma r ea n a l y z e d a n dt h e n锄 i m p r o v e da l g o r i t h mo f v a r i e d - s t e ps e a r c h i n g - b e s ti sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a nt r a c kt h em a x i m u mp o w e rp o i n tf a s ta n de x a c t l y 5 ac o n t r o ls y s t e mb a s e do na l ll p c 2 1 9 4i ns t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i es t r e e tl a m p s y s t e mi sd e s i g n e d i ta c h i e v e sa r r a y sm p p tc o n t r o l ，t h es t o r a g eb a t t e r i e s 。c a p a c i t y p r e d i c t i o n , c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc o n t r 0 1 6 as o f t w a r ep r o g r a mw h i c hi sb a s e do nt h er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m l - t c o s i ii sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d sa n d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n sa r ef e a s i b l ea n ds a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：s t a n d - a i o n ep h o t o v o i t a i os y s t e m ；v r l 矗b a t t e r y ；翻p p ta l g e r i t h i i i ： a r m ；p c o s ii 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得! 适；翅遗直墓他盂要挂别芭疆 的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名y 争7 炙岭母签字日期：墙占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：似 导师签字： 彦遗寝 签字日期：功彳r 年f 月阳签字日期：，。少年多月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独证光伏路灯系统m p p t 挣制器设计 1 绪论 1 1 世界范围内的能源问题及太阳能利用 能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条 件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。 当前人们使用的主要能源石油、煤炭等都属不可再生的矿物燃料。矿物燃料 提供世界9 1 的一次商品能源，其中煤炭占2 8 ，石油超过4 0 。然而，地球 上矿物燃料的储量是有限的，而且由于人类无限制地开采，已渐趋于枯竭。据统 计，人类每年要燃烧4 0 亿吨煤、2 5 亿吨石油，并以每年3 的速度增长。而且， 开发利用和不加限制地消耗大量的煤和石油等燃料，也带来严重的负面影响，即 极大地污染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应、酸雨，引起疾病、农业减产 等严重问题。因此，世界能源面临着巨大的危机。 解决未来世纪的能源问题成为人类社会面临的头等大事。未来能源应以可再 生能源为基础，专家们一方面呼吁发展节能技术，另一方面，从能源系统的角度 提出要开发使用可再生能源，减少或取代对能源矿产的依赖。可再生能源中，水 能、风能、潮汐能、生物能、地热能等都因为一定的条件限制而只适于作补充能 源，相对于人类对能源的巨大需求来说，只能解决局部的一些问题。 核能的发现和利用是本世纪的重大成就之一，现在已作为一种可以大规模和 集中利用的能源代替能源矿产，目前主要用于发电。但是核裂变能也存在一些问 题，如资源利用度低，大量核废料如何处置，以及安全性需进一步提高等，所以 裂变能也难以从根本上解决人类能源问题。 太阳能是一种巨大、久远、无尽且对环境无污染的能源。尽管太阳辐射到地 球大气层的能量仅为其总辐射能量( 约为3 7 5 l o 嚣w ) 的2 2 亿分之一，但已高 达1 7 3 。0 0 0 t w ，也就是说地球每秒钟获得的太阳能量相当于燃烧5 0 0 万吨优质煤 发出的能量。光伏电池早已在人造地球卫星上成功使用，现在开始转向地面应用。 科学家们认为它将是人类未来能源科学发展的方向之一。 在太阳能利用领域，太阳能热水器等一些产品在一定范围内已经小有普及， 太阳能照明产品、太阳能建筑也在试用推广中。截至2 0 0 2 年底，太阳能光伏发 电制造能力已达5 6 万肼，实际装机容量近4 0 0 万k w ，2 0 0 4 年世界光伏电池生 产企业总产能达到1 0 0 0 m w 以上。2 0 0 5 年全球光伏市场增长3 4 ，太阳能光伏总 的装机容量达1 4 6 0 m w 。欧、美、日占九成，其中德国最多，达8 3 7 唧，日本2 9 2 m w ， 美国为1 8 5 m w 。2 0 0 6 年德国光伏市场的增幅仍可达到3 5 。2 0 0 6 2 0 1 0 年，欧洲 太阳能光伏装机容量将达6 0 0 0 7 0 0 0 唧，每年均高于1 5 0 0 m w 。我国的太阳能光伏 发电市场目前的装机总容量只有7 万千瓦。2 0 0 6 年5 月颁布的国家可再生能 独试光伏路灯系统m p p t 柠制；f ； 敬汁 源中长期发展规划要求到2 0 1 0 年达到3 0 力千瓦，到2 0 2 0 年要达到1 8 0 力千 瓦。基本是以每年大约5 0 的超速发展。 与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家l o 1 5 年，甚至 明显落后于印度。但是，我国光伏产业正以每年3 0 的速度增长，2 0 0 5 年底国内 光伏电池生产能力已达2 0 0 m w 以上。预测2 0 0 6 年我国光伏电池生产能力将超过 3 0 0 兆瓦。据专家预测，由于太阳能光伏电池的价格仍然很高，到2 0 1 0 年以前 中国太阳电池多数仍将用于独立光伏发电系统。 虽然2 0 0 5 年我国国内企业的光伏电池生产能力已达2 0 0 兆瓦，但国内只消 化不到1 0 兆瓦。国际国内形势和国家政策都要求国内大力开发光伏电池应用的 下游产品，改善我国目前严重的能源消费不均衡状态，大力发展新型的可再生能 源消费，为国家提出的建设可持续发展社会降低能源压力。 1 2 光伏发电系统与独立光伏路灯发展与应用 光伏利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便、无污染、取之不竭、可 存储性安全可靠，无噪声，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机 械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意， 无需架设输电线路等方面的强劲优势，这些优点都是常规发电和其它发电方式所 不及的。由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富，所以随着太阳电池转换效率 的不断提高，生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会 未来发展中占据重要地位。 图1 1 光伏发电及应用系统框图 太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的电能加以应用，有赢流和交流 应用两种方式如图1 1 所示，直接传输给直流负载直接使用或利用蓄电池存贮供 以后使用，或者直接通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网。 从目前使用情况及今后一段时期发展来看，大部分光伏发电应用不是在并 独t 光伏路灯系统m p p t 柠制器改计 网，而是作为独立光伏发电。这主要是由于光伏发电的设备成本较高，目前光伏 发电装置价格太高，每k w 装机是常规火电的1 0 倍以上，其发电成本为常规发电 的2 - 5 倍，如果没有得到政府的资助，并网发电是亏本的，因而影响了其大量推 广应用。而对于无电的偏僻地区，用户少且分散，架设的电网供电路途遥远，初 期投资与运营成本也4 # 常高。采用光伏发电相对成本较低，而且配置灵活，无污 染，使用维护简单，不受距离的限制，只要有阳光就有电，因而光伏发电在偏僻 地区作为户用电源和无人值守的通讯站、灯塔、航标等的电源得到大量的应用， 也是光伏发电市场增长的重要组成部分。 自2 0 0 3 年以来，随着经济的快速发展，全国各地都不同程度地出现了拉闸 限电的现象，照明节电又一次受到全社会的重视。独立光伏路灯系统，就是把太 阳能转换成电能储存在蓄电池中，在夜间利用储存的电能驱动高光效节能灯工作 的系统。独立光伏路灯系统有以下特点： ( 1 ) 绿色环保，无任何污染物排放； ( 2 ) 一般采用6 v ，1 2 v 和2 4 v 的安全电压，可以杜绝触电事故的发生； ( 3 ) 运行费用低，维护工作量小，实现了可再生能源的利用； ( 4 ) 在输电成本高或根本无法输电的地区尤其适用。由于独立光伏路灯的工作是 不依赖供电电网的，而是由蓄电池直接供电，供电平稳，可以避免用电高峰和低 谷的影响。 同时光伏路灯的发展和应用是又其节能必要性的。虽然光伏发电具有上述优 点。但是一次性投资较大，随着光伏电池制造技术和生产工艺的不断发展成熟， 使其成本在近几年不断下降，大大地促进了它的应用与发展。 光伏路灯由以下几部分组成：光伏电池、蓄电池、控制器、发光体，发光体 一般选用高光效低压钠灯。 下面以一次实地调研为例，阐述光伏路灯应用带来的巨大经济效益： 某段公路路宽六米，长五公里，路灯间距5 0 米，单侧安装高度八米路灯， 共需安装1 0 0 盏。每天照明十小时，使用十年。 表1 1光伏路灯与公用电力路灯费用对照表 项目光伏路灯公用电力路灯 s o l a rl a m p sn o r m a ll a m p s 灯具1 3 0 0 0 元1 0 0 盏= 1 3 0 0 0 0 0 元 4 5 0 0 元1 0 0 盏= 4 5 0 0 0 0 元 c o s to fl a m p s 硎b 1 3 0 0 0 1 0 0 = 删毗3 0 0 0 0 0 删b 4 5 0 0 1 0 0 = 跚b 4 5 0 0 0 0 元 安装费5 0 0 元x 1 0 0 盏= 5 0 0 0 0 元5 0 0 元1 0 0 = 5 0 0 0 0 元 i n s t a l l a t i o nr m b 5 0 0 1 0 0 = i n a b 5 0 0 0 0 蹦b 5 0 0 1 0 0 = r 鹏5 0 0 0 0 管线铺设无地下电缆3 0 5 0 1 0 0 = 1 5 0 0 0 0 元 t u n n e l s 挖沟工程3 0 5 0 1 0 0 = 1 5 0 0 0 0 元 独口光伏路灯系统m p p t 挣制器设计 辅助设施 无l 、穿线管z o 5 0 1 0 0 = 1 0 0 0 0 0 元 u x i l i a r y 2 、配电配f i ：每盏均摊3 0 0 0 元 共3 0 0 0 0 0 元 屯费 无4 0 0 w 钠灯每天十小时则每天4 度 e l e c t r i c i t y电，4 * 0 5 3 6 5 1 0 = 7 3 0 0 0 0 元 维护费 蓄电池更换一次6 0 元奉4 1 0 0 = 2 4 0 0 0 元 m a i n t e n a n c e4 5 0 1 0 0 ：4 5 0 0 0 元管理人员 ：资人约8 万 合计 1 3 9 5 0 0 0 元2 0 3 4 0 0 0 元 t o t a l删b 1 3 9 5 0 0 0r 船2 0 3 4 0 0 0 从表1 1 可以看出，只是在工程初始投入时光伏路灯( 1 3 5 万) 略高于公用 电力路灯( 1 2 0 万) ，整个使用周期通盘考虑的话，则太阳能总体费用远低于公 用电力路灯。而且工程规模越大，使用的时间越长，太阳能的优势越明显，节能 的经济效益越显著。 1 3 本课题的研究意义和研究内容 当前，阻碍光伏发电市场化的主要因素是价格，太阳能光伏组件的价格还比 较昂贵，光电转换的效率还不高。在市场上广泛应用的光伏电池是晶体硅电池， 这种电池在实验室的效率己经可以达到2 0 以上，但是上业化生产的产品的普遍 效率在1 2 一1 7 之间，短时间内效率提高的空间并不大。光伏方阵是一种不稳 定的电源，它的输出特性受外界环境如太阳能辐射度、温度和负载的影响。如何 通过光伏最大功率跟踪控制器，使太阳能光伏方阵获得最大输出功率，充分利用 太阳能光伏方阵的能量，提高系统的整体效率，降低光伏电池成本，具有相当重 要的意义。目前，独立光伏路灯控制器应用最多的是不带m p p t ( 最大功率跟踪) 普通型控制器，从实际使用经验来看，此类控制器最大的缺陷是：不能保证光伏 电池方阵始终工作在输出功率的最大功率点上，这样便导致在太阳能向电能转化 过程中。有大量功率损耗。降低了光伏电池的使用效率，而且光伏电池方阵在对 蓄电池充电时，加载在蓄电池正负级上的电压和电流是不受控的，不符合蓄电池 的充电特性，长期使用会减小蓄电池的容量，使蓄电池使用寿命下降，增加蓄电 池成本。 因此，本课题利用m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt a c k i n g ) 最大功率跟踪工作 方式，通过对光伏电池方阵输出功率和蓄电池容量的实时检测，通过脉宽调制来 控制光伏电池方阵的输出电流和输出电压，使其工作在输出功率的最大功率点 上，实现光伏电池方阵输出功率向电能的最大程度的转化。同时，根据蓄电池的 充电特性，对蓄电池各个阶段的充电电压加以控制，尽可能地延长蓄电池的寿命， 4 独t 光伏路灯系统m p p t 控制器设计 降低成本。 本课题的研究内容就是基于独立光伏路灯的构想，研究适合于此结构的最大 功率跟踪的控制方法以及独立光伏路灯最大功率跟踪算法及其实现机制。 主要内容包括： 介绍太阳能光伏组件的输出特性与最大功率跟踪的基本原理，以及铅酸蓄电 池的物理化学特性，充放电特性。 系统的整体方案设计，包括微处理器的选择以及系统实现的基本原则。 系统的硬件设计，包括主功率回路的分析、功率控制回路和保护电路的设计、 以及l p c 2 1 9 4 外围电路、a d 数据采集电路、人机交互接口设计。 系统的软件设计，对比各种不同搜索算法，在实验的基础上，提出了一种改 进的最大功率跟踪算法。规划系统工作流程，以及嵌入式操作系统的移植、任务 调度的实现。 最后指出本文后续研究工作的改进方向。 独以光伏路灯系统m p p t 拄制 l 改计 2 光伏系统的最大功率跟踪原理及铝酸蓄电池特眭 2 1 光伏电池特性 2 1 1 光伏电池终列原理 众所周知，太阳实际上一个巨大的核反应堆，一刻不停的向空间辐射能量， 应此太阳能是一种辐射能，需要借助一定的转换装置才+ 能转化为电能，光伏电池 就是这样一种直接将太阳能转化成电能的装置，它的物理基础是两种不同半导体 材料构成的大面积的p - n 结，以及少数非平衡载流子形成的漂移电流，因为当光 波长的光照射到p - n 结时，半导体吸收光能后，半导体原子获得光能并产生电子 空穴对，并在势垒区电场的作用下，发生漂移运动而分离，电子被送入n 型区， 空穴被送入p 型区，从而使n 型区有过剩的电子，p 型区有过剩的空穴，这样， 就在p - n 结附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场，光生电场的一部分与内 建电场相抵消，其余的使p 型区带正电，n 型区带负电，这种效应叫做光生伏特 效应，这样，p 型区和n 型区产生的光生载流子，在内建电场的作用下，反方向 穿过势垒，形成光电流。 太阳能光伏电池目前大量使用的是以硅为基底的硅光伏电池，可分为单晶 硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单 晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。 光伏电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4 1 0 0 c 蒂，太阳能单体 的工作电压约为0 4 5 一o 5 v ，工作电流为2 0 - - 2 5 m a ，一般不能单独作为电源使 用。将太阳能单体进行串并联封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦 至几十瓦上百瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元，光伏电池组件再经过串 并联并安装在支架上，就构成了光伏电池方阵，可以满足负载所需要的输出功率。 2 1 2 光伏阵列单元等效电路 光伏阵列单元等效电路如图所示，由于器件瞬时响应时间与绝大多数光伏系 统的时间常数相比微不足道，因此结电容c ，在光伏能阵列的理论分析中加以忽 略。 足 ￥ 图2 1 光伏阵列单元等效电路 6 独讧光伏路灯系统m p p t 描! 制器- 歧计 当开路时，光生电流全部流过内部的二极管，二极管上的压降就是丌路电压， 光照强，则光生电流强，丌路电压高，光强弱，则开路电压小，但这种增长与二 管的特性有关，它是一种对数关系。对图中电压、电流方向，得出光伏阵列的输 出电流一电压( i - v ) 方程为： m 一厶 e x p 掣h 一等 、 可以看出方程( 2 - i ) 是一个超越指数方程，无法用线性方程表示，而光伏电 池阵列的l - v 特性是系统分析最重要的技术数据之一，因此出现许多采用非线性 拟合方法对其做拟合处理，以期得到更好的利用。 2 2 外界环境对光伏阵列的影响 2 2 1 光伏阵列的几个重要参数 图2 2 光伏阵列特性参数说明 在讨论光伏电池方阵基本特性之前，先让我们来了解光伏阵列的几个重要参 数： 1 、短路电流( i 。) ：为给定日照强度和温度下的最大输出电流。 2 、开路电压( k ) ：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 3 、最大功率点电流( i ) ：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 4 、最大功率点电压( ：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压。 5 、最大功率点功率( p - ) ：在给定日照强度和温度下光伏阵列可能输出的最大功 率。 2 2 2 光照和温度对光伏电池阵列的影响 温度和光照是影响光伏组件输出的最重要的环境因素。 ， 独t 光伏路灯系统m p p t 摊制 | 垃汁 图2 3 不同只照下的i - v 关系曲线 ， l o ，彬2 5w v 图2 4 不同日照下的p v 关系曲线 图2 3 是根据上面的模型用不同辐射强度下的输出特性，从图中可以看出， 光伏组件的短路电流与辐照强度成正比，随着辐射强度的增加而增加，开路电压 随辐射强度的变化并不大，但是影响的趋势仍然是随着辐射强度的增加开路电压 略有增加。图2 4 反映了光照对光伏组件输出特性的影响，可以看出辐射强度 对光伏组件的输出功率影响很大，随着辐射强度的增加，输出功率迅速增加。 雌 5 o ，1 0 l ，2 0 e 2 5 图2 5 不同温度下的i v 关系曲线 独口光伏路灯系统m p p t 控制器设计 销 秘 舶 ：2 0 ，l o l ，2 0 赫。删 图2 6 不同温度下的p v 关系曲线 图2 5 反映了温度对光伏组件输出特性的影响，随着温度的升高，短路电 流稍有增加，但是增加的幅度很小，实验表明增长率大概是0 0 7 k ，温度对 光伏的开路电压影响很大，开路电压随着温度的升高而降低，这种降低率大概是 0 4 k ，组件的输出功率随着温度的升高而降低，降低率大概是o 4 - 0 5 k 。 图2 5 、图2 6 分别给出了太阳能光伏阵列在日照射为1 0 0 0 w m 2 和在变化温度 ( t 】的情况下，表现出典型的i - v 和卜v 特性。可以看出，温度对太阳能光伏 阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功 率影响明显，见图2 6 各实线的波蜂的幅值变化。 2 3 最大功率跟踪的基本原理 t 嚣 图2 7 光伏电池的工作点 光伏组件的输出存在着功率最大点，在特定的温度和光照条件下，组件能否 工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小，图2 1 是光伏组件工作时的等 效电路图，图2 7 是用图解法得出光伏组件的工作点的示意图。图2 7 中曲线 9 独一光伏路灯系统m p p t 拄制器设计 为太阳能光伏组件输出的电流电压( i v ) 曲线，直线表示负载电阻的i v 特性， 二者的交点即为光伏组件的工作点，工作点的电压电流既要符合光伏组件的i v 特性又符合负载自身的i - v 特性。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负 载和光伏组件就处于失配状态，光伏组件所产生的电能就没有被充分利用。 外界的环境因素，通常是无法人为改变的，温度和光照在一天中是变化的， 方阵的输出特性也随之变化，要使光伏方阵始终能够输出最大功率，必须适变其 所接的负载。通常的光伏最大功率跟踪器，是一个d c d c 变换器，光伏方阵所 接的等效负载是d c - d c 变换器占空比d 和其所带负载的函数，调节变换器的占 空比就可以达到改变光伏方阵负载的目的，从而实现最大功率跟踪。 2 4 铅酸蓄电池的基本原理 2 4 1v r l a 蓄电池的基本化学特性 开口铅酸蓄电池( v e n tl e a da c i db a t t e r y ) 阀控铅酸蓄电池( v a l v er e g u l a t i o nl e a da c i db a t t e r y v r l a ) 镍钙、镍氢电泡( n i c k e l c a l c i u m ，n i c k e l h y d r o g e nb a t t e r y ) 在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池由于在其使用过程中存在水的易挥发、 易泄漏、容量低等缺点，而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵，阀控铅酸蓄 电池( v r l a ) 由于容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在福镍电池的“记 忆效应”、寿命长、免维护等优越性，因而在独立光伏系统中大量应用，而且将 在今后一段时期继续大量使用。 对于铅酸蓄电池的“双极硫酸盐化理论”，现在已得到公认并广为应用。按 照这个理论，铅酸蓄电池在其正、负极板上分别进行着如下的化学反应过程： j e 圾扳 p b o z + 4 h + 鼢一+ 知一垒p b s o , + 2 h z 0 充电 负极橡 p b + s o , 一竺p b s 0 4 + 2 e 结合两个极板的反应方程为一个，则有在充、放电时可用如下的化学反应方 程式： ( 正极) ( 电解液) ( 负极) ( 正极) ( 电解液) ( 负极) 独讧光伏路灯系统m p p t 控制器醍计 c o o , + 2 h 2 鼢+ p b 当p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 2 - - 4 壳啦 反应方程式从左向右表示放电过程，而从右向左表示充电过程。放电过程和 充电过程互为可逆反应。从反应方程式可以看出，在放电期间，铅酸蓄电池j 下极 的活性物质二氧化铅( p b 0 2 ) 和负极的活性物质海绵状铅( p b ) 与电解液硫酸( h 茹o 。) 进行化学反应生成硫酸铅( p b s 0 4 ) ，引起h 。s o , ：的减少，而且在止极板上不断生 成水( h ：0 ) 从而引起电解液的比重降低。在充电期间，正极板上的硫酸铅氧化生 成了二氧化铅，而此时负极板上的硫酸铅还原成铅( 海绵状) ，同时生成硫酸，并 消耗水，这样电池中的电解液比重就增加。 应该指出，上述充电过程是人们所期望的主反应。在传统的非理想的充电方 式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水的电解。在传统充电方式的后期， 由于正、负极板上的硫酸铅己大部分转变成二氧化铅和海绵状铅，充电电流如果 超过剩余活性物资的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解。结果在电池的 负极会有氢气( h 2 ) 析出，在正极则会有氧气( 0 2 ) 析出，造成十分强烈的冒泡现象。 反应方程式如下： 负援：4 露母4 9 啼2 甄乍 1 援：2 日，d 一4 e - - 4 h + + 统于 所以在充电末期必须注意充电电流的大小，否则会导致产生气泡过于剧烈， 冲刷极板，容易使极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还 会因导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。 对于v r l a 蓄电池可能造成内部压力增大，导致调节阀打开，使水流失，维护起 来将更加麻烦。 2 4 2v r l a 蓄电池内部再结合理论 对于开口铅酸蓄电池在充电时，气体释放出来，这是由于电解液中的水分解 而造成的。因此为维持蓄电池内化学平衡，必须周期性地补充流失的水分。然而 在阀控铅酸蓄电池内，在充电阶段，通过一个被称为“氧再结合循环”过程使分 解的水结合，生成新的水，这个再结合循环是： ( 1 ) 在正极板，电解液中的水产生氧气，化学过程为： ，口_ 坛。+ 2 h 。+ o 并通过隔离板扩散到负极板。 ( 2 ) 在负极板，氧气与这些极板上的一部分p b 结合生成氧化铅，反应过程如 下：p b + l t 2 0 2 呻p b o 独以光伏路灯系统m p p t 控制 改计 ( 3 ) 氧化铅与电解液中的硫酸相结合。生成硫酸铅和水： p b + h 2 s o , 一p b s o t + h 2 0 因此，在负极板上水被再次生成，此时从局部放电的负极板上也产生了硫酸 铅。 ( 4 ) 在充电过程中部分放电的负极板得到充电，反应过程如下， p b s o , + 2 + 2 e 呻p b + 2 s o d 因而整个过程形成闭环。 上述的这个再结合循环，理论上是完整的，在电解液中的部分水和硫酸以及 负极扳上的一定量的铅，在这个再结合过程结束后，恢复到其初始状态，而没有 改变极板的充电条件。这种采用在正极板上产生氧气，在负极板上被吸收的方法， 叫阴( 负) 极吸收式，是当今v r l a 蓄电池主要采用的气体吸收方式。 2 5 铅酸蓄电池的充、放电特性 2 。5 1v r l a 蓄电池的容量和寿命 容量和寿命是蓄电池的重要参数，蓄电池的容量( c ) 是指采用规定的放电速 率( 通常是l o 小时放电率) 充足电后电池能够放出的安时数，蓄电池的额定容 量( c ) 通常作为电池充放电速率的单位，蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充 寿命，蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池充放电循环次数称为循环寿命： 在正常充电条件下，蓄电池的浮充供电时间称为浮充寿命，通常铅酸蓄电池的浮 充寿命可达1 0 年以上。电池充电通常要完成两个主要任务，一个是尽可能地使电 池恢复额定容量，另一个是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量，以维持 电池的额定容量。 2 5 2 充电时端电压的变化 当以稳定的电流对蓄电池进行充电时，电池电压的变化如图2 8 所示。在充 电初期，蓄电池的端电压升高很快( 曲线的o a 段) 。这是由于极板的活性物质还 原为二氧化铅和海绵状铅时，在活性物质微孑l 内形成的硫酸骤增，来不及向极板 外扩散，因此电池电势增大的内电压降骤增，故电压升高很快。 同时电池充电中期，由于活性物质微孔中硫酸比重的增加速度和向外扩散的 速度渐趋平衡，故电势增高渐慢( 曲线a b 段) 。充电后期，极板表面上的硫酸铅 己大部分还原为二氧化铅和海绵状铅所以端电压比较缓慢地上升。如继续充电， 则电流使水大量分解，在两个极板上，开始析出气体。正极板上的氧气使正极板 上形成过氧化电极，提高了正极电位。同时由于气体为不良导体，从而使蓄电池 的内阻增大，因而端电压又继续上升，如曲线中b e 段。当充电到达曲线的c d 独妒光伏路灯系统m p p t 控制器设计 段时，电压则稳定在2 7 v 左右，如继续充电，端电压不但不再升高，反而会缓 慢下降，出现过充反应，如果在d 点停止充电，端电压迅速降低至2 3v ( 曲线 的d e 段) 。随后由于活性物质微孔中的硫酸逐步扩散，使活性物质微孔中电解液 比重渐渐降低，一直到极板内外的电解液浓度趋于相同，端电压慢慢地下降，最 后稳定在2 0 6v 左右的稳定状态( 曲线的e d 段) 。 2 8 盛2 4 盏 ”2 0 i 6 al】34，t7 霉91 0l l i 凶瞳毫牵危电的奢睫 图2 8 充电时端电压变化曲线 2 ： l ， 2 - 2 誊： 誓】 2 2 1 1 力划 c 5 一 撒 “勰l c 门毒 仪 j m c 努。臻 敛 荔 钐7 ， 孳重馒重百铮最 图2 9 不同容量下电池充电曲线 应当指出，过充电开始时间与充电速率有关，如图所示，当充电速率大于 c 5 时，电池容量恢复到放出容量的8 0 b p 开始出现过充反应，只有充电速率小 于c 1 0 0 时，才能使电池容量恢复到1 0 0 后才开始过充反应，由图2 9 还可以 看出，当采用较大的充电速率时，为了使电池容量恢复到1 0 0 , 必须允许一定的过 充反应，过充反应发生后，单格电池的电压迅速上升，而在达到一定数值后，上 升速率减小，然后电池电压缓慢下降，因此，电池充足电后，维持电池容量的最 佳方法是在电池组两端加入恒定的电压，即恒定的浮充电压，在浮充状态下，充 独t 光伏路灯系统m p p t 挖制 改计 入电池所欠充电量，浮充电压不能过高，以免因严重过充而缩短电池的寿命。采 用适当的浮充电压可使铅酸蓄电池的寿命达到2 0 年以上，实验证明，实际浮充电 压与规定浮充电压相差5 时，蓄电池的寿命将缩短一半。 2 5 3 过充电程度的影响 当蓄电池过充时，蓄电池的极板、分离栅等部件必须承受着由于电解的氧化 而造成的损坏，特别在浮充或涓流充电时。过充量是决定蓄电池寿命的一个至关 重要因素。过充电量与蓄电池放电深度都对循环寿命的很大影响，实践表明，在 相同的放电深度情况下，不过充时的蓄电池的循环使用寿命是过充1 0 时的近1 倍，控制蓄电池的过充将可大大提高其使用寿命。 然而，适当的过充能防止蓄电池的酸层化，这是由于过充产生的析气使蓄电 池内部溶液进行“搅拌”，从而阻止了酸分层。 2 5 4 放电过程中端电压的变化 充电后的电池如以恒流进行连续放电，其端电压变化情况如图2 1 0 所示。 假设蓄电池在充电后，经过2 小时以上趋于稳定。此时两极活性物质微孑l 中的电 解液浓度与极板外部的主体电解液的浓度已趋平衡，电池的端电压即开路电压等 于电池的电动势。放电开始时，由于活性物质微孔中的少量的硫酸参与反应被很 快被消耗完并且生成水，而较远离极板的电解液的扩散速度缓慢，不能及时补充 活性物质中微孔内所消耗掉的硫酸，使微孔中电解液的浓度下降迅速，致使其端 电压迅速降低，如图中曲线o a 段所示。 随着放电的继续进行，进入放电中期，蓄电池内部电解液的浓度发生变化， 电解液浓度高的地方的硫酸开始向浓度低的地方扩散，使活性物质表面的硫酸浓 度增大，而且活性物质表面和微孔内因放电而消耗掉的硫酸与扩散得到的硫酸趋 于平衡，从而形成在活性物质表面和微孔内的电解液浓度接近稳定，因而电池的 端电压也比较稳定。当然，由于放电过程中硫酸不断被消耗，整个电池内电解液 中的硫酸含量减少，浓度降低，活性物质表面和微孔内的电解液浓度也缓慢下降， 从而电池的瑞电压呈缓慢降低的趋势，如曲线a b 段。 2 2 鏖2 0 c 。1 , 8 1 6 0 l 23 4 s67s9 l o l l j = = t 搬定枣艘耄的小时翦( h ) 独征光伏路灯系统m p p t 托制器设汁 图2 1 0 蓄电池放电时端电压变化曲线 在放电末期，电池极板上的活性物质己大部分变为硫酸铅，由于硫酸铅的体 积较大，在极板表面和微孔中形成的硫酸铅使极板外电解液渗入困难，因此在微 孔中己稀释的电解液很难和容器中的电解液相互混合。同时硫酸铅的导电性能较 差，致使内阻加大，所以蓄电池的电压降落很快，如曲线b e 段。放电至c 点时， 电压已降至1 8 v 左右，敖电便告结束。如果继续放电，此时极板外豹电解液几 乎停止渗入极板活性物质微孔内部，微孔中的电解液几乎都变成了水，因此使电 池的端电压急剧降，如图中虚线部分的c d 段所示。这种现象叫过放电，虽然能 放出部分能量，如经常过放可能引起极板的硫化，这将会降低蓄电池的充电、放 电反应速度，加速蓄电池的老化和降低其使用容量。一股规定的放电截止时的电 压称为放电电压。如果停止放电，则铅蓄电池的端电压立即回升，随着活性物质 微孔内浓度很低的电解液和相对浓度较高的主体电解液相互扩散，最后端电压将 稳定在2 v 左右，如图中曲线的虚线部分c e 段所示。 像充电一样，放电速度的快慢( 放电率的大小) 也严重影响到蓄电池端电压以 及放电时间。放电率是指将蓄电池的额定容量在一定时间内输出所需的电流值， 如额定容量为2 0 0 h h 的蓄电池以5 小时放电率放电，则放电电流为2 0 0 5 = 4 0 a ： 也即5 小时放电率的电流为4 0 a ，常用c s 表示。放电率愈大则蓄电池的端电压 降落愈快，这主要由于放电率愈大电解液向极板微孔内扩散的速度相对愈小，以 及蓄电池的内阻电压降随放电电流的增加而增加。所以以很大电流放电时，在整 个放电过程中的电压都要比用较小电流放电时为低。如图2 1 l 为在不同放电率 下的蓄电池端电压变化曲线。只要不是将蓄电池的电压放电到o v ，则蓄电池中 还有残余容量。雨对于铅酸蓄电池来说，它是二次电池，不但不允许放电到o v ， 而且为保证其使用寿命，规定其在不同的放电率下有不同的放电终止电压，如图 2 1 1 中的虚线。 对于铅酸蓄电池来说，为保证其