浅论光伏太阳能充电控制器的研究

杨马芳

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014030）

0 引言

随着我国可持续资源战略的推广，风力、光伏等新型发电方式有着极大的挖掘潜力。光伏太阳能充电控制器的应用是在新型能源储存与转化的现有效率上进行提高的完善技术。为了保证风力、光伏等新型发电方式的稳定性与平衡性，推广光伏太阳能充电控制器技术应用到各个电能系统，是实现我国能源可持续发展资源战略的关键环节[1]。

1 太阳能光伏发电技术概述

1.1 太阳能光伏发电技术的分类

1.1.1 光热电三者之间的转换方式

光、热和电三者之间的转换方式的主要依靠以采集太阳能为主的集热器和蒸汽发电机共同作用，从而实现的转换过程。具体原理是：集热器采集太阳能并将其转换成热量储存在相关媒介中，然后储存媒介中的热能通过高温使水发生形态变化，从而使得气态水驱动蒸汽发电机[2]。这种发电方式与我国的煤炭发电站采取了同一原理，区别在于媒介与介质吸收的能量单位不同。但是由于太阳能光变换成热，再由热到电的转换方式效率低下，因此并没有作为调节电气的关键技术得到大面积的推广与应用。

1.1.2 光到电的转换方式

光到电的转换方式又被称为太阳能光伏发电技术，其过程是利用太阳能电池直接将能源转化为电能并储存在蓄电池之中。太阳能电池是利用光化学储能技术来进行光电转换。光化学储能技术是一种以在可见光或紫外线的条件下发生的化学反应转化技术，主要应用于太阳能储能领域。其原理是通过光响应化合物偶氮苯类分子利用自身光异构化的特性进行太阳能的储存与释放[3]。

传统的光到热，热到电的转换方式是通过比热容材料进行热能的转化实现能量的传输过程，主要优点是成本低、稳定好，因而被广泛应用到各个领域，但无法在电气工程领域中承担关键性调节角色，因此我国采取以光响应化合物偶氮苯类分子为主的新型光化学储能技术进行可逆性能量转化[4]。

因此太阳能发电又称为太阳能光伏发电技术。太阳能电池板是依靠光化学储能技术从而在可见光或紫外线条件下产生直流的发电装置，其成分几乎全部是自身拥有光异构性的半导体物料，在使用中光响应化合物作为以分子单位为主的可逆性能量转化基本没有任何的活动部分，因此可以避免长时间作业引起的安全事故。

1.2 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统是通过光→电的转换方式，利用太阳能电池直接将能源转化为电能并储存的发电系统。太阳能光伏发电系统根据自身规模的应用分为独立系统、并网系统和混合系统[5]。由于太阳能光伏发电系统的规模跨度巨大，从家用小型系统到节点发电站应用，其涉及领域也包含到人类活动的各个角落，在生产、出行、家庭、社交等众多领域都有太阳能光伏发电系统的存在。而独立的太阳能光伏发电系统包括太阳能电池、蓄电池、控制器等构件[6]。

2 太阳能电池概述

2.1 太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理依靠以半导体为基本材料的光生伏特效应。光生伏特应就是在可见光与紫外线的条件下，半导体内的电荷发生运动，从而产生电动势的过程。因此，在太阳能电池采集太阳能时，太阳能电池内的半导体产生电动势，从而使得半导体内特定区域形成负载电流与电机区域。从太阳能电池的工作原理与光生伏特效应的形成可以看出太阳能电池的工作效率是随机的，并且受到可见光与紫外线照射时间的制约[7]。

2.2 太阳能电池的应用

由于太阳能电池的发电原理受到可见光与紫外线照射时间与强度的制约，因此太阳能电池无法在保持理想的情况下进行恒定的电荷荷载运动。为了保证太阳能电池能够得到全面应用与推广，我国能源领域学者通过研究发现：可见光或紫外线垂直照射太阳能电池采集设备会使得太阳能电池的转化效率达到最大化。

但是太阳光的照射角度与强度受到地球运转与气候等因素的影响，使得固定材料的太阳能电池随着时间与地点的不同从而导致转化效率的不同。因此现在世界上许多大型太阳能光伏发电站采用太阳能跟踪器控制系统对当地的太阳能进行实况追踪[8]。

3 蓄电池概述

3.1 蓄电池的工作原理

蓄电池作为太阳能光伏发电系统重要组成成分不仅要求使用寿命长还必须具备便携、稳定、可靠、安全等优势。另外蓄电池其他涉及领域伴随着太阳能光伏发电系统的应用也包含到人类活动的生产、出行、家庭、社交等各个角落。我国蓄电池技术的发展历史从铅酸蓄电池存在挥发、泄露引起的安全问题到以VRLA蓄电池为代表的免维护、可调节的新型技术，使得太阳能光伏发电系统伴随着蓄电池技术的进步而得到应用推广[9]。

蓄电池的工作原理是以电化学可逆方程式为基础。以简单的铅酸蓄电池为例，在理想状况下，充电时，铅酸蓄电池正极由硫酸铅与水反应电解为二氧化铅，同时生成铅与硫酸；而电能通过电化学反应转化为化学能并储存在铅酸蓄电池的正极板中，而负极的硫酸铅则保持电荷守恒的原理，通过电能转化为化学能的方式，硫酸铅在负极板上生成铅。而在放电时，遵循电化学方程式的可逆性，正极板的二氧化铅通过电荷的负载与移动转化为硫酸铅，同时化学能将变成电能并伴随电荷的运动向负载设备进行供电。

3.2 蓄电池的应用

蓄电池在太阳能光伏发电技术中的应用必须考虑到蓄电池本身的容量大小，相对太阳能光伏发电技术转化的电能，过多过少的电能容量都会对蓄电池本身的使用寿命与效率造成一定的影响。由于太阳能光伏发电技术是以可见光与紫外线作为反应条件，因此功率受到气候与时间影响变为随机不确定的因素，而蓄电池为了保障自身的使用寿命与工作效率，因此也需要对太阳能光伏发电技术的效率做出同步性追踪[10]。

在不考虑以温度与控制器为代表的其他影响因素下，单以太阳能光伏发电技术的随机性作为不可控因素进行假设，确定蓄电池容量大小的方式如下：

蓄电池容量=（自给天数*每日平均负载）/最大放电深度

其中自给天数作为在天气极端恶劣的情况下，太阳能光伏发电技术无法依照可见光的条件下进行光化学反应，从而导致蓄电池无法完成电化学反应的持续时间。

4 光伏太阳能充电控制器的研究

4.1 光伏太阳能充电控制器系统的概念

光伏太阳能充电控制器系统包括太阳能电池、BUCK变换器、信号采集电路、蓄电池、MCU（MPPT）控制器、驱动电路（见图1）。

图1 光伏太阳能充电控制器系统结构图Fig.1 Structure diagram of photovoltaic solar charging controller system

光伏太阳能充电控制器系统的工作流程包括：太阳能电池以太阳能光伏发电技术将光能转化为电能，并通过以BUCK变换器为主的媒介，将电能储存到蓄电池之中；同时信号采集电路根据需求指令进行电路电荷的路线与速度；MCU（MPPT控制器）根据信号采集电路的变化需求，通过驱动电路实现对变换器媒介的控制，最终影响对蓄电池及太阳能电池的充放电。

4.2 光伏太阳能充电控制器系统的应用

光伏太阳能充电控制器系统是通过电路的驱动实现电池电压的最终控制，并且还保留应对蓄电池电压升高的风险从而下达中断的指令。传统单一的控制器只能控制电路启动与终止,通过对电路的控制实现对蓄电池的控制。在大多数光伏太阳能发电技术的应用中都用到了相关控制器以保护蓄电池免于溢出或高压的状态。高压可能使电池中的电解液汽化，造成故障，而溢出状态会引起电池过早失效。两种状态均有可能损害蓄电池负载。所以控制器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要部分。

传统的庭院式太阳能光伏发电系统控制器，需要针对信号采集与主控制模块两个方面重新进行设计。由于在传统采集电路具有消耗高、精度低的缺点，使得其外围器件需要简单、低功耗与高精准的电流信号采集电路；而在主系统控制模板的选择上，需要选用具备高性能的微处理器系统作为主控芯片；同时在软件设置上，需要自主对蓄电池的剩余电量选择充电方式，并且考虑到蓄电池的保护控制与系统故障处理。而在控制器系统的选择上，智能型控制器与最大功率跟踪型控制器具备远距离与微型智能的优点，但考虑到成本的投入与生产力的限制，市场上常见的庭院式太阳能光伏发电系统控制器多采用串联型与并联型。

5 结论

随着我国经济的快速发展，各类产业对以“电”为代表的能源需求量也愈来愈多。为了保证人类生态环境的可持续发展，发展可持续再生能源并提高能源利用转化效率成为解决生态环境问题的重要途径。太阳能作为人类应用最广、功率最大的能源之一。通过光伏太阳能充电控制器技术衔接太阳能电池与储能媒介的中枢，对我国更好地利用太阳能资源与提高利用效率具有重大的现实意义。