1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 近年来，由于能源缺乏问题的逐渐 突出 和环境污染的日益严重。清洁的可再生能源越来越得到人们的重视。太阳能取之不尽，用 之不竭，而且清洁无污染，如果能有效的利用太阳能，对能源的可持续发展有着非常重要的作用。目前的光伏系统的输出特性受光照强度和环境温度的影响，而且光伏系统成本高转换效率低，所以，在现有的光电元件转换技术的基础上，进一步提高太阳能电池的转换效率，一直是光伏系统的重要研究方向。 本课题 设计 MPP
2、T 系统来 寻找太阳能电池的最大功率点，使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳能电池的最大功率。所谓光伏最大功率点跟踪，实质上是一个自寻优过程，通过控制端电压或其它物理量，使光伏阵列能在各种不同环境下智能化的输出最大功率。 关 键词： 太阳能电池，光伏系统，最大功率点跟踪 II Photovoltaic maximum power point tracking system Abstract In recent years, due to the gradual tension energy shortage and environmental pollution is getting wo
3、rse. Clean, renewable energy has been more attention. Solar inexhaustible, and clean the pollution, the effective use of solar energy, it will paly a very important role in sustainable development of energy.The current output characteristics of PV systems by light intensity and environmental tempera
4、ture, and photovoltaic system Costs high conversion efficiency is low, In the foundation of existing photoelectric element conversion technology , further improve the conversion efficiency of solar cells, has been an important research direction of photovoltaic system. The project design MPPT solar
5、system to find the maximum power point, the system at any temperature and sunshine can track the solar cells under the conditions of maximum power. The so-called photovoltaic maximum power point tracking, is essentially a self-optimizing process, by controlling the voltage or other physical quantiti
6、es, the photovoltaic array in a variety of environment of intelligent maximum power output. Keywords: Solar cells, PV systems, Maximum Power Point Tracking III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 光伏发电技术国内外发展现状 . 2 1.3.1 单晶硅太阳能电池的研究现状 . 2 1.3.2 多晶硅太阳能电池的研究现状 . 2 1.3.3 多晶
7、硅薄膜电池的研究现状 . 3 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2 相关技术概述 . 4 2.1 太阳能电池的工作原理 . 4 2.2 光伏阵列的 I-V 方程 . 5 2.3 太阳能电池的输出特性 . 6 2.4 MPPT 的基本原理以及算法 . 7 2.4.1 增量电导法 . 7 2.4.2 扰动与观察法 . 8 2.4.3 恒压法 . 8 2.4.4 电压反馈法 . 8 2.4.5 功率反馈法 . 8 2.4.6 函数法 . 8 3 光伏电池最大功率点跟踪系统硬件设计 . 10 3.1 模数转换模块 . 10 3.1.1 采样电路 . 10 3.1.2 信号保持增益电路 . 11 3.
8、2 主控制器模块 . 13 3.2.1 主微控制器 P89C51 . 错误 !未定义书签。 3.3 脉宽调制产生器 . 14 3.4DC/DC 变换器 . 15 4 光伏电池最大功率点跟踪系统软件设计 . 17 4.1 模拟信号转换及采样 . 17 4.2MPPT 的实现 . 19 4.3 PWM 信号发生器 . 22 5 结论 . 24 IV 参考文献 . 25 致谢 . 错误 !未定义书签。 光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 随着经济 全球化的迅猛发展 ，各种化石能源大量消耗， 能源问题已成为人类迫切需要解决的问题 。据统计， 全世界对能源的消耗在
9、 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140 亿吨标准煤， 25 年间中增长了 69.7%，到 2020 年，全世界对能源的消耗预计将达到 195 亿吨标准煤。如果人类对能源的需求以目前的速度增长，根据公式计算，全世界的石油将在 40 年后被消耗殆尽，天然气和煤业最多分别能维持 60 年和 200 年左右， 所以 大力发展新的可替代能源已成为当务之急。 采用新型能源和可再生能源不仅能解决能源短缺的问题，还能保护环境 ，减少污染，是走经济社会可持续发展道路的重大措施。太阳能资源丰富，分布广发，可再生，无污染，是当今国际社会公认的理想能源替代品 1。太阳能是各种
10、可再生能源中最重要的基本能源，太阳能的直接转化和利用是指通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 1.2 课题的意义 现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，引发能源危机；另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。能源危机迫在眉睫 2。 2009 年底哥本哈根会议，面对日益严峻的温室效应和环境污染，各国政府都看到了节能减排，发展新能源的迫切需要， 太阳能发电与其他发电系统相比具有许多优点： (1) 太阳能取之不尽，用之不竭。每天照射到地球上的太阳能是全人类消耗的能量的 60
11、00 多倍。 (2) 太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失，节约金属。 (3) 太阳能不用燃料，组件运行成本小，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。 (4) 发电部件不易损坏，维护简单。 (5) 光伏发电不产生任何废弃物，没有污染，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。 (6) 光伏发电系 统建设周期短，由于模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意增加或减少太阳能电池容量，既方便灵活，又避免浪费 3。 光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 2 1.3 光伏发电技术国内外发展现状 太阳能电池近
12、年被人们 应 用于生产生活的许多领域。从世界上第一架太阳能电池飞机试飞成功以来，激起 了 人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行航程几公里发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达 2 万多米，航程超过 4000 公里。 在建 造 太阳能电池发电站上，许多国家也取得了较大进展。 1985 年，美国阿尔康公司研制的太阳能电池发电站，用 100 多 个太阳板， 200 多 个光电池模块，年发电 300 万度。德国 1990 年建造的小型太阳能电站，光电转换率 高 达30， 适合 为家庭和团体供电。 1992 年美国加州又开始研制
13、一种 “ 革命性的太阳能发电装置 ”， 预计可供加州 1 3 的用电量。据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的 1收集起来，足够全世界的所有能源消耗。 太阳能电池在过去 20 多年里有了很大发展 ,许多新技术的采用和引入使太阳能电池的转换效率有了很大提高 .在硅 电池研究方面 ,人们探索了各种各样的电池结构和技术来改善电池性能 ,如背表面场、浅结、绒面、钝化和减反射膜等。高效电池是在这些实验和经验基础上发展起来的。 近年来，我国太阳能电池的技术在不断地提高，应用项目不断增多。当前化石能源资源逐渐走向枯竭和大量 消耗 化石能源对生态环境的影响日益突出的国内外形势，对新能源和可再生能源的发展极
14、为有利，形成了一个良好的发展环境。展望未来，我国的太阳能光伏发电技术及其产业，在以后会有更 好 、更快的发展， 必定要 在我国的能源结构中占有一席之地。 1.3.1 单晶硅太阳能电池的研究现状 单晶硅电池的典型代表是 斯坦福 大学的背面点接触电池，新南威尔士大学的钝化发射区电池以及德国 Fraumhofer 太阳能研究所的局域化背表面场电池。我国北京太阳能研究所从 90 年代起进行高效电池研究开发。采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术 ,使电池效率达到了 19 %以上 ,激光刻槽埋栅电池效率达到了 18.6 %4。 1.3.2 多晶硅太阳能电池的研究现状 多晶硅太阳电 池 的出现主要
15、是为了降低成本， 因其原来成本低于单晶硅电池。 其优点是能直接制备出适于规模化生产的大尺寸方型硅锭，设备比较简单，制 造过程简单、省电、节约硅材料，对材质要求也较低。由于材质和晶界影响，电池效率较低。多晶硅材料制作成本低于单晶硅材料，因此多晶硅组件比单晶硅组件具有更大的降低成本的潜力，因而 有关 提高多晶硅电池效率的研究工作光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 3 也受到 较大的 重视。近 10 年来多晶硅高效 电池 的发展很快，其中比较有代表性的是 Geogia Tech 电池， UNSW 电池， Kysera 电池等。 1.3.3 多晶硅薄膜电池 的研究现状 自 70 年代以来，为了大
16、幅度降低太阳 能 电池的成本，光伏界一直在研究开发薄膜电池，并先后开发出非晶硅薄膜电 池 ，硫化镐电 池 ，铜钢 硒电池等。多晶硅薄膜电池既具有晶硅 电池 的高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池工艺简单、节省材料、大幅度降低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池的研究开发成为近几年的热点。 1.4 课题研究的主要内容 本课题要求设计一个 光伏最大功率点跟踪 系统，可以 在外界条件变化时 对光伏方阵最大功率点进行实时 、 准确 地 跟踪 ， 实现光伏方阵的最大功率输出 。光伏最大功率点跟踪 系统包括太阳能阵列， DC/DC 变换器，主控制器，模数转换电路，充电控制器，蓄电池组。本小题目主要从
17、事 最大功率点跟踪 MPPT 模块的设计。目标是实现 光伏方阵的最大 功率输出 。主要设计 最大功率点跟踪MPPT 模块，内容包括各种 MPPT 算法的比较，设计扰动电路，软件实现 MPPT算法。本设计需要以扰动观察法实现 MPPT；采集 DC/DC 变换器的输入、输出电压与电流；以 PWM 方式控制功率 MOSFET 调整光伏阵列电压；以单片机为控制单元，实现 MPPT 控制。设计难点在于扰动电压 U 的选择 ,如果选择太大的话，容易造成震荡而达不到最大功率点，如果太小，则跟踪过程会比较缓慢。 光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 4 2 相关技术概述 2.1 太阳能电池的工作原理 太阳
18、能是一种 电磁 辐射能，必须借助于能量转换器才能转换 成为电能，这种把光能转换成电能的能量转换器就是光伏电池。太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。当 N 型和 P 型两种不同 类型 的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由 P 型指向 N 型的内电场。当 太阳 光照在电池的表面后，激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，这样电池便可以给外界负载提供电流 5。 光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。当 P-N 结受光照时，对光子的本征吸收和非本 征吸收
19、都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只是本征吸收所激发的少数载流子。因 P 区产生的光生空穴以及 N 区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能通过。只有 P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P 区，也就是电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光生电子积累，在 P 区边界附近有光生空穴积累。就产生了一个与热平衡 P-N 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差 ， P 端正， N 端负。于是有结电流由 P 区
20、流向 N 区，其方向与光电流相反 ,如图 2-1 所示。如将 P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路， P-N 结起了电源的作用，这就是光伏电池的基本工作原理。 光伏最大功率点跟踪系统 MPPT 的设计 5 图 2-1 太阳能电池发电原理 2.2 光伏阵列的 I-V 方程 光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的 I-V 特性随日照强度 S和温度 T 变化，其等效电路如图 2-2 所示 6： 图 2-2 光伏阵列的等效电路 由于器件响应时间与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道 7，因此结电容 C1 在光伏阵列的理论分 析中加以忽略。对图中电压，电流方向，得出光伏阵列的输出电流一电压 (I-V)方程为： 122() e x p 1 SSq V IR V IRI I I A K T R 式中 I,， V：输出电流 ,电压； A， V I1：光电流，受温度和光照影响； A I2：反向饱和电流： A Q：电子电荷： 1. 6*10e-19c K：玻尔兹曼常数； 1.38*10e-23
