智能重構旁路二極管對陰影下太陽能電池的輸出功率提升

曹哲, 尤政, 何磊, 張一喆, 徐依朵, 賈卓

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智能重構旁路二極管對陰影下太陽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：太陽能電池板使用旁路二極管避免陰影效應和熱斑,二極管的內阻會損耗電流。提出采用一種名為智能重構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能電池板的輸出功率。文中闡明了智能重構二極管的實現原理,建立了電路模型。提出通過太陽能電池片電壓的大小,判斷控制二極管拓撲結構的開關狀態的判定規則。進行了模擬仿真,實驗驗證了仿真結果?；趯嶒灲Y果,并與普通二極管布局對比,采用智能重構二極管布局的太陽能電池板輸出功率提升可達到12.24%。

關鍵詞：太陽能；太陽能電池控制系統；陰影效應；旁路二極管；智能重構二極管

鳥類、樹影、云等不可預測的來源會使得太陽能電池板[1]出現部分遮擋(partial shading),稱為陰影效應(shadow effect)。陰影最直接的結果是減少輸出功率,同時由于局部過熱會產生熱斑效應,對太陽能電池造成損壞。早期解決陰影效應的方法是在太陽能電池旁并聯一個小的分流電阻。然而電阻本身會造成功率損耗[2]。1981年由Green等[3]提出了解決這一問題的經典方法,即在太陽能電池旁邊并聯二極管,稱為旁路二極管。當電池片處于陰影中不能發電時,起旁路作用,讓其他電池片所產生的電流從不能發電的電池片的旁路二極管流出,使太陽能電池板繼續發電[4]。然而這種方法存在弊端。雖然原則上每個電池片都要并連一個二極管,但考慮到二極管本身也有內阻,且早期考慮二極管成本,在實際應用中,通常36個電池片并連一個二極管。在由多個電池片組成的太陽能電池板中,如果其中一個電池片中出現陰影,會導致旁路二極管內的這36個電池片全部失效。為了進一步提升陰影下的太陽能電池的輸出功率,2012年由Lin等[5]提出“不平衡重新配置技術”,使用多個開關智能控制每個太陽能電池片的接入狀態,并根據陰影情況(即“不平衡”的光照情況),通過這些開關智能重新配置太陽能電池片的拓撲結構,以應對任意陰影狀態。2013至2014年Wang等[6-8]在此基礎上對“重新配置”的邏輯進行了改進,并補充了更完善的驗證實驗。然而,電源執行接通、斷開的操作,會導致浪涌電流的發生[9]。浪涌電流是一種公認的現象,指在電源接通瞬間,流入電源的設備的峰值電流,該峰值電流遠遠大于穩態輸入電流[10]。研究表明[11],電路可能會在浪涌的一瞬間燒壞,如PN結電容擊穿、電阻燒斷等等。從另一個角度,徐青山等[2]研究了旁路二極管對陰影下太陽能電池最大功率點的影響,為優化旁路二極管的布局來提升陰影下太陽能電池的效率提供了思路。這種方法由于切換電路時原電路不斷開,從理論上避免了太陽能電池的通斷狀態突然變化導致的浪涌電流。本文提出使用智能重構旁路二極管的方法,通過多個開關智能控制每個旁路二極管,并利用算法重新配置二極管的拓撲結構,以提升局部遮擋下的太陽能電池效率。

1旁路二極管對陰影下太陽能電池的作用分析

太陽能電池板由多個太陽能片串聯后并聯組成。太陽能電池片可以抽象為以下電路[12]:

圖1　太陽能電池片模型

其中,Iph為光生電流,D為模型中的二極管,Is為流經二極管的電流,Rp為并聯電阻,Rs為串聯電阻。Icell為電池片的輸出電流、Vcell為電池片的輸出電壓。

圖2　商業應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,虛線框內為太陽能電池片,簡化了并聯電阻Rp,和串聯電阻Rs。每個旁路二極管內的多個電池片總計為一個區塊[13]。

對于6個串聯的太陽能電池片,當只有一個旁路二極管時,即圖2情況下6個電池片在一個區塊內,電路中的一片太陽能電池片被遮擋時,被遮擋的電池片為斷路,負載無法獲得供電。

圖3　2個旁路二極管應對一個電池片被遮擋時的負載供電情況

圖3表明了旁路二極管的原理。當電路中有2個旁路二極管,即每個區塊有3個電池片時,遮擋住一個太陽能電池片,電流會流經被遮擋的區塊中的旁路二極管。圖中,粗實線為電流路徑(下同),電流流過左側3個電池片,并流過右側的旁路二極管。此時負載可獲取近一半的電壓。旁路二極管的內阻也會占有一部分電壓。

圖4　2個旁路二極管應對2個電池片被遮擋時的負載供電的一種情況

圖4表明了旁路二極管的第一個缺陷。旁路二極管的數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知。圖4中,2個區塊內均出現了陰影,即2個區塊內均為斷路。此時若旁路二極管能夠避開正常的電池片,即可為負載供電。

圖5　6個旁路二極管對應5個電池片被遮擋的一種情況

圖5表明了旁路二極管的第2個缺陷。未被遮擋的左側第1個區塊為負載供電,電流流經Dbp2至Dbp6,使得這5個二極管的內阻分壓,消耗了第1個區塊提供的電量。此時若右側5個電池片共用一個旁路二極管,即可提升整個太陽能電池板的最大輸出功率。由本章分析可知,優化電路內旁路二極管的位置與數量,是提升陰影下太陽能電池輸出功率的關鍵。

2智能旁路二極管的建模

智能重構旁路二極管的通過改變開關的方式改變二極管的拓撲結構,從而使得太陽能電池板在陰影下擁有最佳的輸出功率。

圖6　智能重構旁路二極管的模型

圖6含有兩部分。上半部分中,虛線框內為太陽能電池片,6個電池片串聯組成太陽能電池板,為負載供電。每個電池片并連一個電壓表,通過測量

電池片的電壓得到電池片目前的陰影情況。每個電池片并連一個二極管。并按圖中位置放置開關S1～S6、C1～C5。

下部分指的是處理器收到電壓數值后,經過邏輯運算,控制開關S1～S6、C1～C5的閉合與斷開狀態,使旁路二極管處于最優位置和最優數量,即多個連續被遮擋的電池片共同擁一個旁路二極管。與傳統控制方法相比,提升太陽能電池板在當前陰影狀態下達到的最大功率。邏輯運算具體內容如下。

設Cn=1、Sn=1為開關閉合,Cn=0、Sn=0為開關斷開。陰影時Vn=Vshadow,光照時Vn=Vsun。系統初始狀態下,Cn=0,Sn=0,即全部開關斷開。對于第n個電池片,設定初始值為

(1)

(2)

當Vn=Vshadow且Vn=Vn-1(n>1)時

(3)

(4)

舉例說明智能重構旁路二極管的判斷規則。在圖6中,當1、2、3號電池片被遮擋時,V1～V3等于Vshadow。初始值S1～S6等于0,C1～C5等于1。因為V3=Vshadow,V3=V2,所以S3=1,C2=0。因為V2=Vshadow,V2=V1,所以S2=1,C1=0。開關狀態如表1所示,電路示意圖如圖7所示。針對三個被遮擋的電池片,僅有Dbp1并聯在它們兩側。避免了Dbp2、Dbp3的內阻損耗太陽能電池板輸出的能量。

表1　智能重構二極管的開關狀態實例

圖7　智能重構二極管的電路示意圖實例

3智能旁路二極管的仿真與驗證

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

圖8　智能重構旁路二極管的simulink仿真圖

參數設置按照實驗驗證的真實參數設置。太陽能電池模塊的參數由太陽能電池供應商提供的參數擬合得出。由于單個電池片輸出的電流、電壓太小,為方便測量,使用含有多個電池片的太陽能電池模組,6個太陽能電池模組串聯組成太陽能電池板。每個虛擬太陽能電池模組的參數如表2所示。二極管供應商為UXCELL,型號為a11082900ux0277,類型為整流二極管。虛擬二極管模塊所需參數如表3所示。

表2　太陽能電池供應商提供的參數

表3　二極管模塊參數

輸入陰影狀態為圖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),則根據公式(1)～(4)可知,開關狀態如表4中第2行“智能”所示,電路圖如圖11所示。作為對比,表中第1行為普通接法,如圖5所示。

表4　智能重構二極管的開關狀態

圖9　太陽能電池板在部分遮擋時的P-V曲線

圖10　太陽能電池板在部分遮擋時的I-V曲線

圖11　智能旁路二極管仿真示例電路圖

4結論

在太陽能電池板部分遮擋情況下,旁路二極管的數量和位置是提升太陽能輸出最大功率的關鍵。提出了通過測量電池片電壓,控制開關以智能規劃旁路二極管拓撲結構的系統。建立了智能旁路二極管模型,使用MATLAB進行仿真,仿真結果驗證了預期目標。電路實驗驗證了仿真結果。結果證明,智能重構旁路二極管對部分遮擋下的太陽能電池板的最大功率有提升效果,提升值可達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

基金項目：國家留學基金委(201306210110)資助

作者簡介：曹哲(1988—)，清華大學博士研究生,主要從事衛星能源管理系統研究。

中圖分類號：TK514

文獻標志碼：A

文章編號:1000-2758(2016)04-0558-06