光伏组件智能清扫机器人充电转换效率研究

光伏组件智能清扫机器人充电转换效率研究

阚松  雍建华  周振华 高立猛 庆非凡

中能建江苏能源科技有限公司  江苏南京  211500

摘要：本文在介绍太阳能板电池充电以及升压控制器工作原理的基础上，重点研究光伏太阳能板应用在清扫机器人设备上充电效率提升的问题。本文以某厂房屋面光伏清扫机器人项目为例，选取其中一台清扫机器人作为主要测试研究对象。经测量该厂房屋面坡度为朝正南方向5°，整个测试周期为三个月即10-12月份，在不同天气条件下，通过记录实验数据并分析找到太阳能板电池充电效率低的原因，最后针对该问题采取了相应的措施提升其充电效率，从而使光伏清扫机器人处于长期稳定运行。

关键词：太阳能  升压控制器  清扫机器人  充电效率

一、太阳能板电池充电工作原理以及结构示意图

太阳能板电池充电电路主要由光伏太阳能板、升压控制器、蓄电池（组）等组成。首先，将光伏太阳能板与升压控制器通过导线连接，再经过升压控制器将太阳能电池板产生的低压直流电转换为高压直流电，最后将输出后的直流电压供给蓄电池充电，直至蓄电池充满。如图1-1为太阳能板电池充电电路简单结构示意图：

图1-1：太阳能板电池充电电路结构示意图

二、太阳能升压控制器的介绍及其作用

太阳能升压控制器是一种用于太阳能光伏发电系统的电子设备，主要由输入端、输出端和控制电路等组成，当太阳能电池板产生的直流电输入到升压控制器的输入端时，控制电路会根据输入电压和电流进行调节，然后将电能输送到输出端。在输送过程中，升压控制器会根据系统负载的需要，自动调节输出电压和电流，以实现最佳的电能转换效率。而我们经常用到的太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流[1]。由于材料和光线的局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏。因此我们必须把太阳能电池板输出的电流先送入太阳能升压控制器，然后采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，防止过充和过放电等问题[2]。光伏太阳能发电系统中接入太阳能升压控制器可以大大提高太阳能板充电系统的效率和稳定性，并且能够确保电池和负载的运行安全和使用寿命。

三、清扫机器人蓄电池自放电率分析

电池在开路状态时，其存储的电量自发被消耗的现象称为电池的自放电，又称电池的荷电保持能力，即在一定环境条件下，电池储存电量的保持能力[3]。理论上，荷电状态下电池的电极处于热力学不稳定状态，电池内部会自发进行物理或者化学反应，导致电池化学能的损失。电池本身的自放电是衡量电池性能的重要参数之一，不同类型的电池自放电因素和大小各不相同。本文所采用的蓄电池类型为三元锂电池，它具有质量轻、低温性能好以及高能量密度等特点，并且能够在充电过程中可以表现出更高的充电效率[4] 。而在测试运行过程中发现机器人的电池充电速度慢，无法满足正常运行条件。为了能快速找到充电效率低的主要原因，首先采用了电池容量法，将设备中的电池进行长时间搁置，搁置前需对电池进行一次充放电，然后记录静置前的放电容量，静置后采用相同放电条件进行放电，记录静置后的放电容量，然后根据公式（一）计算得出自放电率，即
               （一）

式中-电池静置前的容量(Ah)，-电池静置后的容量(Ah)。为了实验数据更加准确，在其他参数相同的情况下，选取了两块不同容量的电池，分别为20Ah和30Ah，于是将采样的实验数据记录在下面表格中。

表3-1：两块不同容量的电池在相同放电条件下的锂电池自放电率

由表3-1可知两块不同容量的电池在相同放电条件下每天的自放电率均在0.2%左右，如果一个月按30天来计算的话，测试期间平均每月的电池自放电率均在6%左右。一般来说，质量好的锂电池自放电率比较低，通常在每月十个百分点以下。通过容量测试法我们可以得知在目前的环境条件下锂电池自放电率可以满足本文中蓄电池的使用要求，并为下文进行升压控制器转换效率实验提供了良好的条件。

四、不同型号升压控制器充电效率转换对比分析

通过上文对清扫机器人蓄电池自放电率分析后，未找到主要影响清扫机器人电池充电效率低的原因。接下来将采用两台功率大小相同、型号不同的太阳能升压控制器进行充电转换效率对比实验，分析出两台太阳能升压控制器的充电转换效率。两台控制器型号分别为SY300W和SD300W，其他性能参数一致的情况下，型号SD300W比SY300W多带有一个MPPT功能。通过升压控制器的输出功率除以输入功率再乘以100%可得到升压控制器的充电转换效率

，即

                                         （三）

根据公式（三）可计算出两台不同型号的升压控制器充电转换效率，相关实验数据已整理在下列表3-3中。

表3-3：两台不同型号的太阳能升压控制器充电效率转换对比实验

从表3-3中了解到型号SY300W升压控制器在不同天气环境下测得的充电转换效率在85%左右，而带有MPPT功能型号SD300W升压控制器测得的充电转换效率在95%以上，从另一方面来说带有MPPT功能的控制器比未带有MPPT功能控制器的充电转换效率至少提高了10%。因此，通过两台不同型号的控制器充电转换实验对比后，说明该清扫机器人采用未带有MPPT功能的升压控制器是导致太阳能板充电效率低的主要原因，与此相反，采用带有MPPT功能的升压控制器可以大大提高清扫机器人的充电效率和稳定性。

五、验证和实例应用

通过以上数据研究与分析，采用带有MPPT功能的太阳能升压控制器应用在本公司光伏清扫机器人设备上，经过3个月的运行测试，光伏清扫机器人比之前大大提高了充电效率，与此同时也保证了设备的稳定运行。

图5-1：光伏组件智能清扫机器人现场运行图

六、结束语

本文通过介绍太阳能板电池充电工作原理的基础上，以我公司某厂房屋顶光伏清扫机器人作为实验对象，重点研究和分析了清扫机器人设备充电效率低的问题。首先通过对清扫机器人蓄电池自放电率分析后，通过电池容量和电压衰减率测量法，未发现有影响到清扫机器人的电池充电效率低的因素。为了能快速找到导致清扫机器人设备充电效率低的原因，通过使用两种不同型号升压控制器充电转换效率对比实验，由实验结论可知未带有MPPT功能的升压控制器转换效率明显更低，进而导致清扫机器人充电效率低且电池充电速度慢。最后采用带有MPPT功能的升压控制器解决了清扫机器人充电效率低的问题，同时大大提高了清扫机器人的充电效率和运行可靠性，也为提高运维电站发电量起到了重要的作用。

七、参考文献

[1]光伏发电技术现状及应用趋势探究，李世峰，中国战略新兴产业 2017年16期

[2]一种基于MPPT控制的太阳能光伏充电控制器研制，朱金芳，陈怀忠，电脑知识与技术，2010年27期

[3]动力锂电池剩余使用寿命影响因素分析，山东科学 2021年03期

[4]车用三元锂电池与磷酸铁锂电池对比分析，张子煦，倪子潇，汽车实用技术，2019年23期

作者简介：阚松（1998.03-），男，汉族，安徽滁州人，本科，助理工程师，研究方向：新能源光伏发电工程。