智能重构旁路二极管对阴影下太阳能电池的输出功率提升
曹哲1, 尤政1, 何磊2, 张一喆3, 徐依朵4, 贾卓2    
1. 清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室 微纳制造器件与系统协同创新中心, 北京 100084;
2. 加州大学洛杉矶分校 电气工程系 加利福尼亚州, 洛杉矶 美国 90095;
3. 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 电气与计算机工程系, 伊利诺伊州 厄巴纳 美国 61801;
4. 加州大学伯克利分校 电气工程与计算机科学系, 加利福尼亚州 伯克利 94720
摘要: 太阳能电池板使用旁路二极管避免阴影效应和热斑,二极管的内阻会损耗电流。提出采用一种名为智能重构旁路二极管的新型二极管布局,通过智能判断并短路未使用的旁路二极管,来增加局部被遮挡太阳能电池板的输出功率。文中阐明了智能重构二极管的实现原理,建立了电路模型。提出通过太阳能电池片电压的大小,判断控制二极管拓扑结构的开关状态的判定规则。进行了模拟仿真,实验验证了仿真结果。基于实验结果,并与普通二极管布局对比,采用智能重构二极管布局的太阳能电池板输出功率提升可达到12.24%。
关键词: 太阳能     太阳能电池控制系统     阴影效应     旁路二极管     智能重构二极管    

鸟类、树影、云等不可预测的来源会使得太阳能电池板[1]出现部分遮挡(partial shading),称为阴影效应(shadow effect)。阴影最直接的结果是减少输出功率,同时由于局部过热会产生热斑效应,对太阳能电池造成损坏。早期解决阴影效应的方法是在太阳能电池旁并联一个小的分流电阻。然而电阻本身会造成功率损耗[2]。1981年由Green等[3]提出了解决这一问题的经典方法,即在太阳能电池旁边并联二极管,称为旁路二极管。当电池片处于阴影中不能发电时,起旁路作用,让其他电池片所产生的电流从不能发电的电池片的旁路二极管流出,使太阳能电池板继续发电[4]。然而这种方法存在弊端。虽然原则上每个电池片都要并连一个二极管,但考虑到二极管本身也有内阻,且早期考虑二极管成本,在实际应用中,通常36个电池片并连一个二极管。在由多个电池片组成的太阳能电池板中,如果其中一个电池片中出现阴影,会导致旁路二极管内的这36个电池片全部失效。为了进一步提升阴影下的太阳能电池的输出功率,2012年由Lin等[5]提出“不平衡重新配置技术”,使用多个开关智能控制每个太阳能电池片的接入状态,并根据阴影情况(即“不平衡”的光照情况),通过这些开关智能重新配置太阳能电池片的拓扑结构,以应对任意阴影状态。2013至2014年Wang等[6, 7, 8]在此基础上对“重新配置”的逻辑进行了改进,并补充了更完善的验证实验。然而,电源执行接通、断开的操作,会导致浪涌电流的发生[9]。浪涌电流是一种公认的现象,指在电源接通瞬间,流入电源的设备的峰值电流,该峰值电流远远大于稳态输入电流[10]。研究表明[11],电路可能会在浪涌的一瞬间烧坏,如PN结电容击穿、电阻烧断等等。从另一个角度,徐青山等[2]研究了旁路二极管对阴影下太阳能电池最大功率点的影响,为优化旁路二极管的布局来提升阴影下太阳能电池的效率提供了思路。这种方法由于切换电路时原电路不断开,从理论上避免了太阳能电池的通断状态突然变化导致的浪涌电流。本文提出使用智能重构旁路二极管的方法,通过多个开关智能控制每个旁路二极管,并利用算法重新配置二极管的拓扑结构,以提升局部遮挡下的太阳能电池效率。

1 旁路二极管对阴影下太阳能电池的作用分析

太阳能电池板由多个太阳能片串联后并联组成。太阳能电池片可以抽象为以下电路[12]:

图 1 太阳能电池片模型

其中,Iph为光生电流,D为模型中的二极管,Is为流经二极管的电流,Rp为并联电阻,Rs为串联电阻。Icell为电池片的输出电流、Vcell为电池片的输出电压。

图 2表明了旁路二极管的连接方式,Dbp为旁路二极管,虚线框内为太阳能电池片,简化了并联电阻Rp,和串联电阻Rs。每个旁路二极管内的多个电池片总计为一个区块[13]

图 2 商业应用中的旁路二极管的连接方式

对于6个串联的太阳能电池片,当只有一个旁路二极管时,即图 2情况下6个电池片在一个区块内,电路中的一片太阳能电池片被遮挡时,被遮挡的电池片为断路,负载无法获得供电。

图 3表明了旁路二极管的原理。当电路中有2个旁路二极管,即每个区块有3个电池片时,遮挡住一个太阳能电池片,电流会流经被遮挡的区块中的旁路二极管。图中,粗实线为电流路径(下同),电流流过左侧3个电池片,并流过右侧的旁路二极管。此时负载可获取近一半的电压。旁路二极管的内阻也会占有一部分电压。

图 2 2个旁路二极管应对一个电池片被遮挡时的负载供电情况

图 4表明了旁路二极管的第一个缺陷。旁路二极管的数量和位置取决于阴影的情况。而由鸟类等造成的阴影无法提前预知。图 4中,2个区块内均出现了阴影,即2个区块内均为断路。此时若旁路二极管能够避开正常的电池片,即可为负载供电。

图 4 2个旁路二极管应对2个电池片被遮挡时的负载供电的一种情况

图 5表明了旁路二极管的第2个缺陷。未被遮挡的左侧第1个区块为负载供电,电流流经Dbp2Dbp6,使得这5个二极管的内阻分压,消耗了第1个区块提供的电量。此时若右侧5个电池片共用一个旁路二极管,即可提升整个太阳能电池板的最大输出功率。

图 5 6个旁路二极管对应5个电池片被遮挡的一种情况

由本章分析可知,优化电路内旁路二极管的位置与数量,是提升阴影下太阳能电池输出功率的关键。

2 智能旁路二极管的建模

智能重构旁路二极管的通过改变开关的方式改变二极管的拓扑结构,从而使得太阳能电池板在阴影下拥有最佳的输出功率。

图 6含有两部分。上半部分中,虚线框内为太阳能电池片,6个电池片串联组成太阳能电池板,为负载供电。每个电池片并连一个电压表,通过测量电池片的电压得到电池片目前的阴影情况。每个电池片并连一个二极管。并按图中位置放置开关S1~S6C1~C5

图 6 智能重构旁路二极管的模型

下部分指的是处理器收到电压数值后,经过逻辑运算,控制开关S1~S6C1~C5的闭合与断开状态,使旁路二极管处于最优位置和最优数量,即多个连续被遮挡的电池片共同拥一个旁路二极管。与传统控制方法相比,提升太阳能电池板在当前阴影状态下达到的最大功率。逻辑运算具体内容如下。

Cn=1、Sn=1为开关闭合,Cn=0、Sn=0为开关断开。阴影时Vn=Vshadow,光照时Vn=Vsun。系统初始状态下,Cn=0,Sn=0,即全部开关断开。对于第n个电池片,设定初始值为

Vn=VshadowVn=Vn-1(n>1)时

举例说明智能重构旁路二极管的判断规则。在图 6中,当1、2、3号电池片被遮挡时,V1~V3等于Vshadow。初始值S1~S6等于0,C1~C5等于1。因为V3=Vshadow,V3=V2,所以S3=1,C2=0。因为V2=Vshadow,V2=V1,所以S2=1,C1=0。开关状态如表 1所示,电路示意图如图 7所示。针对三个被遮挡的电池片,仅有Dbp1并联在它们两侧。避免了Dbp2Dbp3的内阻损耗太阳能电池板输出的能量。

表 1 智能重构二极管的开关状态实例
开关C1C2C3C4C5S1S2S3S4S5S6
数值00111011000
状态断开断开闭合闭合闭合断开闭合闭合断开断开断开

图 7 智能重构二极管的电路示意图实例
3 智能旁路二极管的仿真与验证

使用MATLAB中的simulink搭建电路,如图 8所示。其中太阳能电池片的模型使用电力工程箱中的虚拟太阳能电池模块,二极管使用虚拟二极管模块。

图 8 智能重构旁路二极管的simulink仿真图

参数设置按照实验验证的真实参数设置。太阳能电池模块的参数由太阳能电池供应商提供的参数拟合得出。由于单个电池片输出的电流、电压太小,为方便测量,使用含有多个电池片的太阳能电池模组,6个太阳能电池模组串联组成太阳能电池板。每个虚拟太阳能电池模组的参数如表 2所示。二极管供应商为UXCELL,型号为a11082900ux0277,类型为整流二极管。虚拟二极管模块所需参数如表 3 所示。

表 2 太阳能电池供应商提供的参数
符号说明单位
Impc电池片最大功率点电流0.128 8A
Vmpc电池片最大功率点电压2.35V
Iscc电池片短路电流0.136 8A
Vocc电池片开路电压2.65V
Nsc串联数13
Npc并联数7

表 3 二极管模块参数
符号说明单位
Vf正向直流电压0.6V
Ron开启状态电阻0.3Ω
Goff关闭状态电导系数10-81/Ω

输入阴影状态为图 5所述情况(即6块电池片中,只有1块电池片未被遮挡的情况),则根据公式(1)~(4)可知,开关状态如表 4中第2行“智能”所示,电路图如图 11所示。作为对比,表中第1行为普通接法,如图 5所示。

表 4 智能重构二极管的开关状态
开关C1C2C3C4C5S1S2S3S4S5S6
普通数值11111000000
状态闭合闭合闭合闭合闭合断开断开断开断开断开断开
智能数值10000001111
状态闭合断开断开断开断开断开断开闭合闭合闭合闭合

实际测量中,阴影区光照强度为Irshaded=0,非阴影区光照强度为Irunshaded=1 000 W/m2,温度T=25(℃)。图 9图 10显示了仿真与实测的结果。在仿真结果中,使用图 5的普通旁路二极管接法的最大功率为Psimnormal=26.47 W,使用图 11的智能旁路二极管接法的最大功率为Psimsmart=29.76 W,提升12.43%。在实测结果中,使用普通旁路二极管接法的最大功率Prealnormal=26.19 W,使用智能旁路二极管接法的最大功率Prealsmart=29.45 W,提升12.24%。

图 9 太阳能电池板在部分遮挡时的P-V曲线

图 10 太阳能电池板在部分遮挡时的I-V曲线

图 11 智能旁路二极管仿真示例电路图
4 结 论

在太阳能电池板部分遮挡情况下,旁路二极管的数量和位置是提升太阳能输出最大功率的关键。提出了通过测量电池片电压,控制开关以智能规划旁路二极管拓扑结构的系统。建立了智能旁路二极管模型,使用MATLAB进行仿真,仿真结果验证了预期目标。电路实验验证了仿真结果。结果证明,智能重构旁路二极管对部分遮挡下的太阳能电池板的最大功率有提升效果,提升值可达12.24%。

参考文献
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Output Power Improvement of Solar Panels under Partial Shading with Smart-diode Structure
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.
Key words: MATLAB     bypass diode     schematic diagrams     shading effects     smart diode     solar cells-control systems     solar energy    
西北工业大学主办。
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曹哲, 尤政, 何磊, 张一喆, 徐依朵, 贾卓
Cao Zhe, You Zheng, He Lei, Zhang Yizhe, Xu Yiduo, Jia Zhuo
智能重构旁路二极管对阴影下太阳能电池的输出功率提升
Output Power Improvement of Solar Panels under Partial Shading with Smart-diode Structure
西北工业大学学报, 2016, 34(4): 558-563
Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(4): 558-563.

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收稿日期: 2016-03-01

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