微光伏系統(tǒng)對太陽能電池輸出參數(shù)的依賴性分析*

劉 偉， 尹文卓， 謝 健， 羅 嶸， 胡順仁

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054；2.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

0 引 言

隨著半導(dǎo)體、計算機和無線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益廣泛。許多室外應(yīng)用需要使用電池對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行供電。由于節(jié)點數(shù)量眾多，更換電池極為不便。為了延長節(jié)點的工作壽命，可以通過降低工作周期等方式來減少能耗[1]。然而，要從根本上解決節(jié)點的能量供給問題，需要從環(huán)境中收集能量來補充電池電量，其中太陽能是目前最有效的方式之一[2]。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的工作電壓和電流通常較低，因此,傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域的太陽能供電結(jié)構(gòu)無法直接使用，需要開發(fā)針對性的微光伏電路結(jié)構(gòu)[3]。由于太陽能電池是一種非線性有限功率源，在特定的光照條件下存在一個最大功率點，因此只有當(dāng)太陽能電池工作在該點時，才能獲得最優(yōu)的性能。實時跟蹤太陽能電池的最大功率點，并動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載使其工作在該點，才能實現(xiàn)太陽能利用的最大化。這一過程被稱為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)，目前已有多種微光伏系統(tǒng)實現(xiàn)了MPPT功能[2, 4～11]。然而，現(xiàn)有工作主要關(guān)注于微光伏系統(tǒng)收集效率的提升，對這些系統(tǒng)的性能對比分析較少，特別是它們對太陽能電池輸出參數(shù)的依賴性。

本文搭建了5種典型的微光伏系統(tǒng)，通過實驗深入分析了太陽能電池輸出特性變化對收集效率的影響，所得結(jié)論對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點優(yōu)化太陽能電池和收集電路的選擇和匹配，具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 相關(guān)工作

如果不考慮太陽能電池的輸出特性，可以使用二極管或穩(wěn)壓器直接連接太陽能電池和負(fù)載。例如，文獻(xiàn)[4]使用二極管將太陽能電池與可充電電池直接相連。這種方式雖然簡單，但能量收集效率很低。為了實現(xiàn)太陽能利用的最大化，必須設(shè)計合適的MPPT電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能。

文獻(xiàn)[5]利用太陽能電池最大功率點電壓與光照強度幾乎成線性關(guān)系這一特性，提出了一種MPPT電路結(jié)構(gòu)AmbiMax，如圖1(a)所示。該結(jié)構(gòu)使用光照傳感器實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能。AmbiMax的優(yōu)勢是無需外界控制，可以實時跟蹤最大功率點。然而，由于最大功率點電壓與光照強度的線性關(guān)系易受環(huán)境因素變化的影響，使用固定的映射模型通常難以獲得最優(yōu)的收集效率。文獻(xiàn)[6]利用在不同的光照強度下太陽能電池的最大功率點電壓與開路電壓的比值近似恒定這一特性，提出了一種MPPT電路結(jié)構(gòu)Pilot，如圖1(b)所示。與AmbiMax一樣，該結(jié)構(gòu)也無需外界控制。更重要的是，它幾乎不受環(huán)境因素的影響，能夠獲得更高的收集效率。文獻(xiàn)[7]利用MOS管的可變電阻特性實現(xiàn)MPPT功能，提出了一種MPPT電路結(jié)構(gòu)DuraCap，如圖1(c)所示。與上述兩種結(jié)構(gòu)不同的是，DuraCap搜索最大功率點時需要將太陽能電池與負(fù)載斷開，因此無法實時跟蹤最大功率點，這必然會影響其收集效率。文獻(xiàn)[8]基于DuraCap設(shè)計了一種具有兩級能量存儲結(jié)構(gòu)的能量自供給傳感器節(jié)點，但并未對其硬件結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 三種電路結(jié)構(gòu)

此外，還可直接使用MPPT集成芯片進(jìn)行太陽能收集[2, 9～11]。例如，文獻(xiàn)[9]使用BQ25504芯片進(jìn)行太陽能收集。TI公司的BQ25504可以實現(xiàn)太陽能、振動能等多種能源的微瓦(μW)級能量收集[12]。目前已有多種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的MPPT芯片。這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電路簡單，但MPPT芯片的成本通常較高，并且對太陽能電池的輸出特性有嚴(yán)格限制。

綜上所述，現(xiàn)有工作主要關(guān)注于微光伏系統(tǒng)收集效率的提升，對這些系統(tǒng)的性能對比分析較少，特別是它們對太陽能電池輸出參數(shù)的依賴性。雖然文獻(xiàn)[3]通過實際測試對常用微光伏系統(tǒng)的能量收集性能進(jìn)行了對比，但并未涉及太陽能電池輸出特性變化對收集效率的影響。

2 電路原型實現(xiàn)與測試

選擇AmbiMax,Pilot和DuraCap三種MPPT電路結(jié)構(gòu)，同時搭建了分別使用穩(wěn)壓器和二極管直接連接太陽能電池與可充電電池的電路，在光照充足的室外環(huán)境下，對它們的太陽能收集性能進(jìn)行了測試。選擇標(biāo)稱電壓分別為4 V(實測最大功率點電壓約為3.00 V)和5.5 V(實測最大功率點電壓約為4.15 V)的太陽能電池，以及標(biāo)稱容量為1 000mAh的鋰電池。使用Arduino作為外部控制器，其ADC通道用于測量電壓和電流。

AmbiMax的運行需要確定最大功率點電壓與光照強度的近似關(guān)系，而Pilot的實現(xiàn)則需要選擇合適的參考太陽能電池。這里以標(biāo)稱電壓為4 V的太陽能電池為基準(zhǔn)，為AmbiMax和Pilot確定模型或硬件參數(shù)。對于AmbiMax，在不同的光照條件下，采集太陽能電池最大功率點電壓及其對應(yīng)的光照強度，建立映射模型如式(1)所示

(1)

式中VMPP為太陽能電池的最大功率點電壓，Lux為對應(yīng)的光照強度。

對于Pilot，為了使MPPT更加準(zhǔn)確，需要使參考太陽能電池和主太陽能電池的特性盡可能一致。最有效的方法是使用一塊與主太陽能電池大小、參數(shù)完全相同的參考電池，因此,采用相同的4 V太陽能電池作為參考電池。實際使用時，最大功率點電壓與開路電壓的比值設(shè)置為0.76[6]。

由于不同輸出特性的太陽能電池的最大輸出功率存在較大差異，因此,無法通過直接比較收集功率來評價更換太陽能電池的影響。為了有效對比上述電路結(jié)構(gòu)連接不同的太陽能電池時的能量收集能力，定義收集效率為太陽能電池實際輸出功率與最大輸出功率的比值，如式(2)所示

η=POUT/PMPP

(2)

式中PMPP為太陽能電池的當(dāng)前最大輸出功率，POUT為實際輸出功率。使用DuraCap的最大功率點搜索功能獲得PMPP，當(dāng)搜索頻率足夠高時，可以認(rèn)為兩次搜索之間的PMPP近似不變。

3 依賴性對比分析

首先使用標(biāo)稱電壓為4 V的太陽能電池，此次測試的收集功率如圖2(a)所示。可以看出，與使用二極管和穩(wěn)壓器直連的簡單電路相比，實現(xiàn)了MPPT功能的收集電路能獲得明顯更高的輸出功率。從收集功率來看，AmbiMax和DuraCap的性能基本一致，但略低于Pilot。這一點在圖2(b)中更為明顯，其給出了這些系統(tǒng)的能量累積情況。Pilot累積收集的能量最高，DuraCap和AmbiMax次之，二極管和穩(wěn)壓器直連最低。

圖2(c)給出了這些系統(tǒng)平均收集效率的對比。可以看出，由于MPPT功能的實現(xiàn)，Pilot，DuraCap和AmbiMax均能獲得較高的收集效率。其中,Pilot的收集效率最高，為79.24 %，而DuraCap和AmbiMax的收集效率基本相當(dāng)，分別為76.15 %和76.25 %。二極管直連電路可以獲得35.65 %的收集效率，而穩(wěn)壓器直連電路的收集效率僅有20.13 %。

圖2 4 V太陽能電池板性能測試

為了評估上述電路結(jié)構(gòu)與太陽能電池輸出特性的耦合程度，在保持各收集電路硬件或模型參數(shù)不變的情況下，使用標(biāo)稱電壓為5.5 V的太陽板電池重新進(jìn)行了測試，其收集功率如圖3(a)所示。明顯可以看出，此時DuraCap獲得了最高的輸出功率。由于硬件或模型參數(shù)沒有更新，AmbiMax和Pilot的性能均有所降低。值得注意的是，在此次測試中，二極管直連電路的性能甚至略優(yōu)于Pilot和AmbiMax，表明該電路結(jié)構(gòu)的性能也是與太陽能電池輸出特性緊耦合的。穩(wěn)壓器直連電路的性能仍然是最差的。這一點在圖3(b)中更為明顯，其給出了這些系統(tǒng)的能量累積情況。DuraCap累積收集的能量最高，二極管直連電路累積收集的能量超過了Pilot和AmbiMax，穩(wěn)壓器直連電路最低。

從圖3(c)可以看出，更換太陽能電池對DuraCap的收集能力基本沒有影響，其平均收集效率仍可以達(dá)到78.05 %。然而，Pilot和AmbiMax與太陽能電池的輸出參數(shù)卻是緊耦合的，更換太陽能電池導(dǎo)致其平均收集效率分別下降了22.42 %和22.79 %。與Pilot和AmbiMax相反，二極管直連電路的平均收集效率提高了24.25 %。這意味著，通過簡單匹配太陽能電池和充電電池的參數(shù)即可獲得較好的能量收集效果。穩(wěn)壓器直連電路仍然是最差的，平均收集效率僅有21.66 %。此外，其收集能力亦不受更換太陽能電池的影響。

圖3 5.5 V太陽能電池板性能測試

為了說明Pilot和AmbiMax收集效率降低的原因，圖4給出了兩次測試中DuraCap，Pilot和AmbiMax的輸出電壓對比。可以看出，第一次測試即使用標(biāo)稱電壓為4 V的太陽能電池時，三種電路都能工作在最大功率點電壓3.00 V附近。第二次測試即使用標(biāo)稱電壓為5 V的太陽能電池時，只有DuraCap能夠工作在最大功率點電壓4.15 V附近，而Pilot和AmbiMax仍工作在3.00 V附近。這表明，針對標(biāo)稱電壓為4 V的太陽能電池建立的模型或硬件參數(shù)與新的太陽能電池不再匹配，無法使其保持在最大功率點。因此，Pilot和AmbiMax與太陽能電池的輸出特性是緊耦合的，需要根據(jù)所連接的太陽能電池調(diào)整模型或硬件參數(shù)。

圖4 兩次測試的輸出電壓對比

4 結(jié)束語

本文通過實測分析了典型微光伏系統(tǒng)對太陽能電池輸出參數(shù)的依賴性。研究結(jié)果表明，取決于所采用的電路結(jié)構(gòu)，更換太陽能電池可能會影響微光伏系統(tǒng)的能量收集性能，收集效率的變化高達(dá)22.42 %～24.25 %。因此，需要實現(xiàn)太陽能電池和微光伏電路結(jié)構(gòu)的匹配，才能實現(xiàn)最優(yōu)的太陽能收集。后續(xù)將深入研究二極管直連電路與太陽能電池的匹配問題，設(shè)計可用于超低成本物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的微光伏系統(tǒng)。