曹哲, 尤政, 何磊, 張一喆, 徐依朵, 賈卓

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智能重構(gòu)旁路二極管對(duì)陰影下太陽(yáng)能電池的輸出功率提升

曹哲1, 尤政1, 何磊2, 張一喆3, 徐依朵4, 賈卓2

摘要：太陽(yáng)能電池板使用旁路二極管避免陰影效應(yīng)和熱斑,二極管的內(nèi)阻會(huì)損耗電流。提出采用一種名為智能重構(gòu)旁路二極管的新型二極管布局,通過智能判斷并短路未使用的旁路二極管,來增加局部被遮擋太陽(yáng)能電池板的輸出功率。文中闡明了智能重構(gòu)二極管的實(shí)現(xiàn)原理,建立了電路模型。提出通過太陽(yáng)能電池片電壓的大小,判斷控制二極管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)的判定規(guī)則。進(jìn)行了模擬仿真,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并與普通二極管布局對(duì)比,采用智能重構(gòu)二極管布局的太陽(yáng)能電池板輸出功率提升可達(dá)到12.24%。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；太陽(yáng)能電池控制系統(tǒng)；陰影效應(yīng)；旁路二極管；智能重構(gòu)二極管

鳥類、樹影、云等不可預(yù)測(cè)的來源會(huì)使得太陽(yáng)能電池板[1]出現(xiàn)部分遮擋(partial shading),稱為陰影效應(yīng)(shadow effect)。陰影最直接的結(jié)果是減少輸出功率,同時(shí)由于局部過熱會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng),對(duì)太陽(yáng)能電池造成損壞。早期解決陰影效應(yīng)的方法是在太陽(yáng)能電池旁并聯(lián)一個(gè)小的分流電阻。然而電阻本身會(huì)造成功率損耗[2]。1981年由Green等[3]提出了解決這一問題的經(jīng)典方法,即在太陽(yáng)能電池旁邊并聯(lián)二極管,稱為旁路二極管。當(dāng)電池片處于陰影中不能發(fā)電時(shí),起旁路作用,讓其他電池片所產(chǎn)生的電流從不能發(fā)電的電池片的旁路二極管流出,使太陽(yáng)能電池板繼續(xù)發(fā)電[4]。然而這種方法存在弊端。雖然原則上每個(gè)電池片都要并連一個(gè)二極管,但考慮到二極管本身也有內(nèi)阻,且早期考慮二極管成本,在實(shí)際應(yīng)用中,通常36個(gè)電池片并連一個(gè)二極管。在由多個(gè)電池片組成的太陽(yáng)能電池板中,如果其中一個(gè)電池片中出現(xiàn)陰影,會(huì)導(dǎo)致旁路二極管內(nèi)的這36個(gè)電池片全部失效。為了進(jìn)一步提升陰影下的太陽(yáng)能電池的輸出功率,2012年由Lin等[5]提出“不平衡重新配置技術(shù)”,使用多個(gè)開關(guān)智能控制每個(gè)太陽(yáng)能電池片的接入狀態(tài),并根據(jù)陰影情況(即“不平衡”的光照情況),通過這些開關(guān)智能重新配置太陽(yáng)能電池片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以應(yīng)對(duì)任意陰影狀態(tài)。2013至2014年Wang等[6-8]在此基礎(chǔ)上對(duì)“重新配置”的邏輯進(jìn)行了改進(jìn),并補(bǔ)充了更完善的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。然而,電源執(zhí)行接通、斷開的操作,會(huì)導(dǎo)致浪涌電流的發(fā)生[9]。浪涌電流是一種公認(rèn)的現(xiàn)象,指在電源接通瞬間,流入電源的設(shè)備的峰值電流,該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流[10]。研究表明[11],電路可能會(huì)在浪涌的一瞬間燒壞,如PN結(jié)電容擊穿、電阻燒斷等等。從另一個(gè)角度,徐青山等[2]研究了旁路二極管對(duì)陰影下太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的影響,為優(yōu)化旁路二極管的布局來提升陰影下太陽(yáng)能電池的效率提供了思路。這種方法由于切換電路時(shí)原電路不斷開,從理論上避免了太陽(yáng)能電池的通斷狀態(tài)突然變化導(dǎo)致的浪涌電流。本文提出使用智能重構(gòu)旁路二極管的方法,通過多個(gè)開關(guān)智能控制每個(gè)旁路二極管,并利用算法重新配置二極管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以提升局部遮擋下的太陽(yáng)能電池效率。

1旁路二極管對(duì)陰影下太陽(yáng)能電池的作用分析

太陽(yáng)能電池板由多個(gè)太陽(yáng)能片串聯(lián)后并聯(lián)組成。太陽(yáng)能電池片可以抽象為以下電路[12]:

圖1　太陽(yáng)能電池片模型

其中,Iph為光生電流,D為模型中的二極管,Is為流經(jīng)二極管的電流,Rp為并聯(lián)電阻,Rs為串聯(lián)電阻。Icell為電池片的輸出電流、Vcell為電池片的輸出電壓。

圖2　商業(yè)應(yīng)用中的旁路二極管的連接方式

圖2表明了旁路二極管的連接方式,Dbp為旁路二極管,虛線框內(nèi)為太陽(yáng)能電池片,簡(jiǎn)化了并聯(lián)電阻Rp,和串聯(lián)電阻Rs。每個(gè)旁路二極管內(nèi)的多個(gè)電池片總計(jì)為一個(gè)區(qū)塊[13]。

對(duì)于6個(gè)串聯(lián)的太陽(yáng)能電池片,當(dāng)只有一個(gè)旁路二極管時(shí),即圖2情況下6個(gè)電池片在一個(gè)區(qū)塊內(nèi),電路中的一片太陽(yáng)能電池片被遮擋時(shí),被遮擋的電池片為斷路,負(fù)載無法獲得供電。

圖3　2個(gè)旁路二極管應(yīng)對(duì)一個(gè)電池片被遮擋時(shí)的負(fù)載供電情況

圖3表明了旁路二極管的原理。當(dāng)電路中有2個(gè)旁路二極管,即每個(gè)區(qū)塊有3個(gè)電池片時(shí),遮擋住一個(gè)太陽(yáng)能電池片,電流會(huì)流經(jīng)被遮擋的區(qū)塊中的旁路二極管。圖中,粗實(shí)線為電流路徑(下同),電流流過左側(cè)3個(gè)電池片,并流過右側(cè)的旁路二極管。此時(shí)負(fù)載可獲取近一半的電壓。旁路二極管的內(nèi)阻也會(huì)占有一部分電壓。

圖4　2個(gè)旁路二極管應(yīng)對(duì)2個(gè)電池片被遮擋時(shí)的負(fù)載供電的一種情況

圖4表明了旁路二極管的第一個(gè)缺陷。旁路二極管的數(shù)量和位置取決于陰影的情況。而由鳥類等造成的陰影無法提前預(yù)知。圖4中,2個(gè)區(qū)塊內(nèi)均出現(xiàn)了陰影,即2個(gè)區(qū)塊內(nèi)均為斷路。此時(shí)若旁路二極管能夠避開正常的電池片,即可為負(fù)載供電。

圖5　6個(gè)旁路二極管對(duì)應(yīng)5個(gè)電池片被遮擋的一種情況

圖5表明了旁路二極管的第2個(gè)缺陷。未被遮擋的左側(cè)第1個(gè)區(qū)塊為負(fù)載供電,電流流經(jīng)Dbp2至Dbp6,使得這5個(gè)二極管的內(nèi)阻分壓,消耗了第1個(gè)區(qū)塊提供的電量。此時(shí)若右側(cè)5個(gè)電池片共用一個(gè)旁路二極管,即可提升整個(gè)太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率。由本章分析可知,優(yōu)化電路內(nèi)旁路二極管的位置與數(shù)量,是提升陰影下太陽(yáng)能電池輸出功率的關(guān)鍵。

2智能旁路二極管的建模

智能重構(gòu)旁路二極管的通過改變開關(guān)的方式改變二極管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從而使得太陽(yáng)能電池板在陰影下?lián)碛凶罴训妮敵龉β省?/p>

圖6　智能重構(gòu)旁路二極管的模型

圖6含有兩部分。上半部分中,虛線框內(nèi)為太陽(yáng)能電池片,6個(gè)電池片串聯(lián)組成太陽(yáng)能電池板,為負(fù)載供電。每個(gè)電池片并連一個(gè)電壓表,通過測(cè)量

電池片的電壓得到電池片目前的陰影情況。每個(gè)電池片并連一個(gè)二極管。并按圖中位置放置開關(guān)S1～S6、C1～C5。

下部分指的是處理器收到電壓數(shù)值后,經(jīng)過邏輯運(yùn)算,控制開關(guān)S1～S6、C1～C5的閉合與斷開狀態(tài),使旁路二極管處于最優(yōu)位置和最優(yōu)數(shù)量,即多個(gè)連續(xù)被遮擋的電池片共同擁一個(gè)旁路二極管。與傳統(tǒng)控制方法相比,提升太陽(yáng)能電池板在當(dāng)前陰影狀態(tài)下達(dá)到的最大功率。邏輯運(yùn)算具體內(nèi)容如下。

設(shè)Cn=1、Sn=1為開關(guān)閉合,Cn=0、Sn=0為開關(guān)斷開。陰影時(shí)Vn=Vshadow,光照時(shí)Vn=Vsun。系統(tǒng)初始狀態(tài)下,Cn=0,Sn=0,即全部開關(guān)斷開。對(duì)于第n個(gè)電池片,設(shè)定初始值為

(1)

(2)

當(dāng)Vn=Vshadow且Vn=Vn-1(n>1)時(shí)

(3)

(4)

舉例說明智能重構(gòu)旁路二極管的判斷規(guī)則。在圖6中,當(dāng)1、2、3號(hào)電池片被遮擋時(shí),V1～V3等于Vshadow。初始值S1～S6等于0,C1～C5等于1。因?yàn)閂3=Vshadow,V3=V2,所以S3=1,C2=0。因?yàn)閂2=Vshadow,V2=V1,所以S2=1,C1=0。開關(guān)狀態(tài)如表1所示,電路示意圖如圖7所示。針對(duì)三個(gè)被遮擋的電池片,僅有Dbp1并聯(lián)在它們兩側(cè)。避免了Dbp2、Dbp3的內(nèi)阻損耗太陽(yáng)能電池板輸出的能量。

表1　智能重構(gòu)二極管的開關(guān)狀態(tài)實(shí)例

圖7　智能重構(gòu)二極管的電路示意圖實(shí)例

3智能旁路二極管的仿真與驗(yàn)證

使用MATLAB中的simulink搭建電路,如圖8所示。其中太陽(yáng)能電池片的模型使用電力工程箱中的虛擬太陽(yáng)能電池模塊,二極管使用虛擬二極管模塊。

圖8　智能重構(gòu)旁路二極管的simulink仿真圖

參數(shù)設(shè)置按照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的真實(shí)參數(shù)設(shè)置。太陽(yáng)能電池模塊的參數(shù)由太陽(yáng)能電池供應(yīng)商提供的參數(shù)擬合得出。由于單個(gè)電池片輸出的電流、電壓太小,為方便測(cè)量,使用含有多個(gè)電池片的太陽(yáng)能電池模組,6個(gè)太陽(yáng)能電池模組串聯(lián)組成太陽(yáng)能電池板。每個(gè)虛擬太陽(yáng)能電池模組的參數(shù)如表2所示。二極管供應(yīng)商為UXCELL,型號(hào)為a11082900ux0277,類型為整流二極管。虛擬二極管模塊所需參數(shù)如表3所示。

表2　太陽(yáng)能電池供應(yīng)商提供的參數(shù)

表3　二極管模塊參數(shù)

輸入陰影狀態(tài)為圖5所述情況(即6塊電池片中，只有1塊電池片未被遮擋的情況),則根據(jù)公式(1)～(4)可知,開關(guān)狀態(tài)如表4中第2行“智能”所示,電路圖如圖11所示。作為對(duì)比,表中第1行為普通接法,如圖5所示。

表4　智能重構(gòu)二極管的開關(guān)狀態(tài)

圖9　太陽(yáng)能電池板在部分遮擋時(shí)的P-V曲線

圖10　太陽(yáng)能電池板在部分遮擋時(shí)的I-V曲線

圖11　智能旁路二極管仿真示例電路圖

4結(jié)論

在太陽(yáng)能電池板部分遮擋情況下,旁路二極管的數(shù)量和位置是提升太陽(yáng)能輸出最大功率的關(guān)鍵。提出了通過測(cè)量電池片電壓,控制開關(guān)以智能規(guī)劃旁路二極管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。建立了智能旁路二極管模型,使用MATLAB進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)期目標(biāo)。電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。結(jié)果證明,智能重構(gòu)旁路二極管對(duì)部分遮擋下的太陽(yáng)能電池板的最大功率有提升效果,提升值可達(dá)12.24%。

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Cao Zhe1, You Zheng1, He Lei2, Zhang Yizhe3, Xu Yiduo4, Jia Zhuo2

1.Collaborative Innovation Center for Micro/Nano Fabrication, Device and System,State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Department of Precision Instrument, Tsinghua University Beijing 100084, China 2.Electronic Engineering Department, University of California, Los Angeles, CA, 90095 USA 3.Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, 61801 USA 4.Electrical Engineering and Computer Science, University of California Berkeley, Berkeley, CA 94720 USA

Abstract:Solar panel uses bypass diodes to avoid shading effect and hot spot. Currently the power produced by the solar panel suffers from wasting current by bypass diodes. In this paper a new diode structure called Smart-diode is proposed to increase the output power of a solar panel in partial shading by shorting out resistance from unused bypass didoes. The principle of Smart-diode is explained, and the circuit model is built. The theory of controlling switches for bypass diodes by voltage of solar cells is analyzed. The simulation model is simulated and verified by the experiment. Based on our experiment result, comparing with the normal structure of diodes, power of a solar panel can be improved up to 12.24% with Smart-Diode structure.

Keywords:MATLAB; bypass diode; schematic diagrams; shading effects; smart diode; solar cells-control systems; solar energy

收稿日期：2016-03-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家留學(xué)基金委(201306210110)資助

作者簡(jiǎn)介：曹哲(1988—)，清華大學(xué)博士研究生,主要從事衛(wèi)星能源管理系統(tǒng)研究。

中圖分類號(hào)：TK514

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-2758(2016)04-0558-06