提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)

由于燃燒化石燃料引起的全球變暖環(huán)境問題、不斷上漲的原油和天然氣價(jià)格、對(duì)原油依賴導(dǎo)致的政治困境，這些問題促使人們不斷努力提高能源效率。

對(duì)于那些能源無法自給的國家，太陽能和其他替代能源擁有無可爭議的優(yōu)勢，可幫助他們達(dá)到減少化石燃料消耗和實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立的目的。用替代能源系統(tǒng)取代化石燃料能源，將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)和人類生活產(chǎn)生重大影響。但問題是，用替代能源發(fā)電的成本要與化石燃料發(fā)電的成本相近或更少，這樣才能真正減少原油的消耗。

在開發(fā)太陽能技術(shù)的過程中，人們把大部分注意力都放在了如何提高光電池的效率上。但另一個(gè)不能忽略的重要問題是，如何設(shè)計(jì)將電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電路。為了在成本上與燃燒媒、石油等化石燃料的發(fā)電方式相競爭，設(shè)計(jì)師為提高逆變器每一個(gè)百分點(diǎn)的效率的努力都是非常重要的。

一些太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)制造商把逆變器的轉(zhuǎn)換效率從92%提高到了96%，這樣他們?cè)谑袌錾铣晒Φ臋C(jī)會(huì)就會(huì)大增。有一種辦法是設(shè)計(jì)沒有變壓器的 DC/DC轉(zhuǎn)換器。在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，由變壓器導(dǎo)致的能量損失大約是2%～3%。因此就要使用更高電壓的晶體管，這種晶體管已經(jīng)可以在市場上買到了。

逆變器的設(shè)計(jì)

在基于光電流的系統(tǒng)中，電源逆變器控制著太陽能板和電池，以及負(fù)載之間的電流，將太陽能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉(zhuǎn)換成干凈的50Hz或60Hz的正弦電流，輸出給負(fù)載或回饋到電網(wǎng)中去。圖1顯示了逆變器在太陽能發(fā)電中的重要作用。

圖1 逆變器在提高太陽能轉(zhuǎn)換效率的過程中發(fā)揮著重要作用

由于太陽能板的輸出電壓是變化的，要保持發(fā)電時(shí)盡可能的高效率是非常復(fù)雜的。完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵是檢測最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)。圖2顯示了最大功率點(diǎn)是如何隨天氣和電壓而變的。

圖2 太陽能電池的輸出電壓隨電壓和天氣而變

MPP跟蹤技術(shù)可用來探測MPP，并調(diào)整DC/DC的輸出電壓轉(zhuǎn)換，以使輸出最大化。MPP跟蹤可以使太陽能電池系統(tǒng)在冬天的整體效率提高1/3或更多，而這時(shí)也正是電力需求最高的時(shí)候。

控制器確定MPP的最常用算法是干擾電池板的工作電壓，并檢測輸出。算法要在MPP點(diǎn)周圍留出一個(gè)足夠大的振蕩范圍，避免當(dāng)天空掠過云彩時(shí)控制器對(duì)本地電源發(fā)出錯(cuò)誤的擾動(dòng)。

電池的算法

擾動(dòng)和檢測算法的效率并不高，這是由于在每個(gè)周期內(nèi)輸出點(diǎn)都會(huì)偏離MPP?？梢圆捎迷隽扛袘?yīng)算法做為替代，這種方法可以很好地解決由于振蕩導(dǎo)致的低效率，但又會(huì)設(shè)定一個(gè)本地峰值而不是真實(shí)的MPP，從而引發(fā)其他問題。將這兩種算法結(jié)合起來，可以保持增量感應(yīng)算法的高效率，同時(shí)又可以以一定間隔在很大范圍內(nèi)掃描，避免選擇本地的峰值。

顯然，這會(huì)給控制逆變器的控制器帶來很大的計(jì)算負(fù)荷，控制器必須滿足一些實(shí)時(shí)處理的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在的數(shù)字信號(hào)控制器可以提供實(shí)時(shí)控制算法所需的高速運(yùn)算能力。A/D轉(zhuǎn)換器、PWM等集成外設(shè)使控制器可以直接檢測輸入信號(hào)，控制功率MOSFET，片上的flash閃存可用于編程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通信端口簡化了電能表和其他逆變器的組網(wǎng)過程。

在太陽能逆變器中的DSP控制器的高效率已經(jīng)得到證實(shí)，可以把轉(zhuǎn)換過程中的能量損失減少最多50%。National Renewable Energy Laboratory對(duì)分布式電源技術(shù)LLC的研究表明，基于DSP的逆變器可以將1個(gè)10kW逆變器的制造和人工成本減少56%，同時(shí)還減少了逆變器的尺寸和重量。

德州儀器公司的TMS320F28x數(shù)字信號(hào)控制器就是一個(gè)非常好的例子，它的性能高達(dá)150MIPS，可以用1個(gè)DSP控制逆變器中的多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，而且還有富裕的處理能力，可用來執(zhí)行MPP跟蹤算法、電池充電監(jiān)控、浪涌保護(hù)、記錄數(shù)據(jù)和通信等額外的功能。圖3顯示了TMS320F28x控制多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)的框圖。

圖3 TMS320F28x可控制多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)

控制器具有非?？焖俚?2位16通道的A/D轉(zhuǎn)換器，可以高精度地檢測電壓和電流來實(shí)現(xiàn)正弦波。為進(jìn)行安全監(jiān)控，A/D轉(zhuǎn)換器還提供了電流檢測功能。

此外，芯片上12個(gè)獨(dú)立控制的增強(qiáng)型PWM通道具有可變的占空比，為轉(zhuǎn)換器橋和電池充電電路提供了高速開關(guān)。

每個(gè)增強(qiáng)型PWM都有自己的定時(shí)器和相位寄存器，可對(duì)相延遲進(jìn)行編程設(shè)定?？梢詫?duì)所有的增強(qiáng)型PWM進(jìn)行同步，來驅(qū)動(dòng)同樣頻率上的多個(gè)級(jí)。多個(gè)定時(shí)器提供了所需的時(shí)鐘和快速的中斷管理，支持額外的控制任務(wù)。包括CAN總線在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信端口為其他組件和系統(tǒng)提供了簡便易用的接口。