摘 要：本文提出太阳能升压转换器应用在直流埠(DC bus)的研究，文中提出太阳能板和升压转换器的匹配模式及设计考量。为使直流埠维持稳定的能量供需，系统并接一铅酸电池储能装置以调节输出埠暂态的稳定度。太阳能升压转换器是在增量电导最大功率追踪(INC MPPT)的导引下，适时地依照太阳光照度做工作周期的调变，以提供直流埠能量，并兼具储能功能。实验并对增量电导最大功率追踪应用在直流埠提出可行性的验证。 关键词：太阳能升压转换器、直流埠、增量电导最大功率追踪、铅酸电池储能装置 1.引言 再生能源为人类最重要的新能源已成为事实。近百年来，人们面临高科技的发展、交通运输、生活环境的需求，已将石化燃料几乎快要耗尽。尤其近四十年内发生过三次重要的石油危机，以及最近日本福岛事件等，更让再生能源成为人类未来的重要能源支柱，大家都在期待新能源能应用能尽早踏实问世，使人类生活得以继续文明下去。目前再生能源中，尤以风能和太阳能最为实际，不过太阳能则相对稳定于风能且方便于任何需求的应用，尤其是小区域的应用。目前世界各地太阳能电厂发展现况，自2005年开始，每年都是以100%为成长速率。其中全球80%的大型太阳能电厂都设置在欧洲，而美国占16 %、亚洲占4 %。德国占有50%全球大型太阳能发电厂的主导，根据市场调查机构iSuppli发表的最新研究报告指出，2011年全球太阳能系统装置量已达20.2GW (十亿瓦)，比起2010年的14.2GW，还要向上攀升42.3%。虽然这样的成长率已经很高，但是比起2009年的97.9%还是有明显成长趋缓的趋势，但主要的太阳能市场仍然是在德国约有45%，西班牙约有28%，美国约16% ，义大利约占2 %，日本2 %，韩国占2 %，全球其他各国约占5% [1]。 本文主要提出太阳能升压转换器应用在直流埠(DC bus)的研究。直流埠供电非常有可能将来成为市电用途的一种，因为一方面可以省去目前交流供电需先转换为直流的过程，同时可以减少电磁干扰的问题[3-5, 7, 9]。本文所提出之太阳能供电系统是由升压转换器来执行太阳能能量汲取，在直流埠装置一铅酸电池储能装置作为能量暂态调节及供书，使直流埠在太阳光照变化的情况下能适时地提供稳定的能量输出。本文之太阳能升压转换器系由增量电导最大功率追踪(Incremental-conductance maximum power point tracking, INC-MPPT)导引，依太阳光照强弱调变工作周期作为汲能的控制[2, 6, 8 , 10-11]。本研究将提出太阳能板和升压转换器的匹配模式及设计考量，并以实验证实导出的理念。 II. 太阳能升压转换器的分析出峰值电流可表示为
图1 (a) 太阳能直流埠(DC Bus)系统方块图，(b) 太阳能升压转换器电路及(c)转换器在连续导通模式之状态波形图 若转换器效率为η，则pvoPPη=，即pvpvooIVIVη=，可以求得输出电流和工作周期的关系为 22)(2dfVVLVIspvopvo −=η (3) 由(3)可知输出电流和工作周期的平方成正比关系。其关系模拟如图2所示
其中 SR：寄生串联电阻 shR：寄生并联电阻 SCI：太阳能电池照光后产生的电流 PVOI：未照光的情况下的二极体电流 PVI：太阳能电池输出电流 PVV：太陽能電池輸出電壓 Pn：太阳能板并联个数 sn：太阳能板串联个数 I：太阳能电池输出电流(A) V：太阳能电池输出电压(V) q：电子电荷量(1910602.1−×库伦) A：理想参数值，介于5~1之间 k：波茲曼常数(Kev510.638 −×) T：太阳能电池当时表面温度(C)
图3 (a)太阳能电池等效电路及(b)太阳能模组之电流-电压特性曲线 太阳能电池的反向饱和电流satI，其数学式可表示如下： − =TTkAqETTIIrGaprrrsat11exp3 (6) 公式(6)可以看出反向饱和电流satI也是溫度的函數，其中： rT：太阳能电池参考温度 rrI：太阳能电池在温度rT时的反向饱和电流 GapE：半导体材料跨越能带间隙时所需的能量 增量电导法是依据最大功率追踪准则0/=pvpvdIdP推导出以电导变率为基础的pvpvpvpvVIdVdI//−=。
IV. 设计与量测 本文所提之直流埠之太阳能转换器实验是以输出直流48 Vdc为参考标准，并由四个电池串接作为辅助的调节输出能量的暂态现象。太阳能模组是由两片模组串接，在日照为1000 W/m2时，开路电压为43.8Vdc，短路电流为8.2 A，最大输出功率为250 W。每个电池之容量为45 安时(AH)。INC-MPPT 软体是以Microchip dsPIC33FJ06GS202撰写。PV升压转换器操作在频率40 kHz，其状态波形如图5所示，其中在日照为600 W/m2 时之最大功率点条件发生在工作周期为d = 0.29，Vpv = 32.7 V及Ipv = 4.3025 A。
图5 PV升压转换器的量测状态图: (a) Hor: 10 μs/div. 及(b) Hor: 50 μs/div. 量测条件在日照600 W/m2. 图5中显示，PV升压转换器在日照600 W/m2时是操作在不连续导通模式，输出电流io是以脉波方式对铅酸电池充电，并经由电池调节直流埠的电压及能量供需。再者，本文所提之脉波充电对铅酸电池的特性及寿命会有助益，因为脉波可以减缓铅酸电池极间的硫酸铅累积，而使电池寿命得以延长[10]。 增量电导MPPT在太阳能直流埠的追踪状态的电流响应及功率响应如图6所示，骑象队响应数据如表1所示。表中显示，太阳日照刚升起时，追踪响应较慢，而中间转换过程起追踪响应过程较快。有关态营能升压转换器输出电流和工作周期在日照强度为600 W/m2情况下的响应的实际量测如图2的虚线部分。
V. 結 論 本文针对太阳能直流埠之转换器设计及太阳能转换器间之阻抗匹配提出转换模式，并依增量电导最大功率追踪法则做为控制升压转换器之能量汲取。实验证实所提之太阳能直流埠具有应用价值。 参考文献 [1] Emerging Markets for PV-Dr. Henning Wicht (iSuppli), http://wenku.baidu.com/view/638a39eb551810a6f5248680.html [2] L.X. Ni, K. Sun, L. Zhang, Y. Xing, M. Chen, and L. Rosendahl, “A Power Conditioning System for Thermoelectric Generator Based on Interleaved Boost Converter with MPPT Control”, in Proc. Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 1-6, 2011. |
