【導(dǎo)讀】新型能源一直都是整個(gè)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能是免費(fèi)的綠色能源，更是新能源的重中之重。但是想要設(shè)計(jì)出兼顧效率和成本的系統(tǒng)并非易事。本文就講述了設(shè)計(jì)兼顧成本和效率的太陽能系統(tǒng)。
太陽能是綠色能源，而且是免費(fèi)的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會(huì)導(dǎo)致太陽能電池板的最佳功率提供點(diǎn)偏移，此外，設(shè)備老化、局部光照被遮擋、日落、被動(dòng)物糞便污染等，都可能妨礙太陽能電池板的性能?；谶@些可靠性和可變性問題，幾乎所有太陽能供電設(shè)備都采用可再充電電池，以提供備分電源；過去一度僅使用鉛酸電池，現(xiàn)在所用電池種類已經(jīng)擴(kuò)大到包括鋰電池了。
太陽能供電應(yīng)用之所以配備再充電系統(tǒng)，是為了盡可能汲取更多的太陽能，以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當(dāng)太陽能電池板得到的光照很少或沒有光照時(shí)，電池漏電大小就至關(guān)重要，無論何時(shí)只要可能，就應(yīng)該減到最少。
顯然，太陽能供電應(yīng)用正處于成長階段。現(xiàn)在有各種不同尺寸的太陽能電池板可為各種各樣的創(chuàng)新應(yīng)用供電，例如人行橫道標(biāo)志燈、垃圾壓實(shí)機(jī)、海上浮標(biāo)燈等；有些太陽能供電應(yīng)用采用的電池是深度循環(huán)類電池，能承受很多個(gè)反復(fù)充電周期以及深度放電，這類電池常見于"離網(wǎng)"(即與電力公司電網(wǎng)斷開)可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。就離網(wǎng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間非常重要，因?yàn)檫@類系統(tǒng)并不易靠近。
太陽能電池板基礎(chǔ)知識(shí)
就一定量的光能和工作條件而言，太陽能電池板在某一特定輸出電壓上產(chǎn)生峰值輸出功率。圖1所示為由七十二節(jié)電池組成的太陽能電池板，在電池板溫度為60°C時(shí)的特性。虛線代表電池板的I-V曲線，X軸表示電池板電壓。實(shí)線表示當(dāng)電池板電壓從0V變化到電池板開路電壓時(shí)電池板產(chǎn)生的輸出功率；電池電壓變化是用簡單的負(fù)載箱實(shí)現(xiàn)的。
圖1 在不存在局部光照被遮擋的情況下，給定太陽能電池板的簡單功率曲線。
就此處所述這一特定情況而言，最大功率點(diǎn)在32V，該電池板可提供140W功率。如果允許電池板溫度變化，在真實(shí)情況中這當(dāng)然是允許的，那么最大功率點(diǎn)可能在大熱天的28V到寒冷冬天的44V之間變化。
很多較簡單的太陽能充電系統(tǒng)會(huì)將電池板電壓工作點(diǎn)設(shè)定為固定值；在上述特定電池板情況下，這類較簡單的系統(tǒng)會(huì)將電池板工作點(diǎn)設(shè)定到32V，以在給定溫度時(shí)汲取最大功率，而這個(gè)例子的溫度為60°C。不過，當(dāng)電池板溫度變化時(shí)，會(huì)浪費(fèi)大量功率，因?yàn)殡姵匕宀辉谡嬲淖畲蠊β庶c(diǎn)上工作了。在這類情況下，可能會(huì)浪費(fèi)20-30%以上的可用功率。
使情況變得更糟的是，按照已實(shí)行的安全標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)電池板必須在太陽能電池?cái)?shù)組中裝上旁路二極管；這么做的原因，是當(dāng)部分電池板被遮住而得不到太陽光照射，而其他部分得到充足陽光照射時(shí)，太陽能電池板會(huì)有一些特殊情況發(fā)生。
這時(shí)，被遮住的太陽能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過，因?yàn)槠渌玫匠渥愎庹盏碾姵卣谔峁╇娏鳎徽谧〉碾姵販囟瓤赡苌仙?，這有可能造成火災(zāi)。為了幫助降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖2顯示在上述七十二節(jié)電池的太陽能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。
圖2 出于安全考慮，七十二節(jié)電池的太陽能電池板上放置了三個(gè)旁路二極管。
[page] 由于電池板中存在旁路二極管，當(dāng)部分電池板被遮擋時(shí)，就可能出現(xiàn)復(fù)雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況，其中出現(xiàn)了兩個(gè)局部最大功率點(diǎn)，一個(gè)在21V電壓處，另一個(gè)在37V電壓處。如果采用前述簡單的32V功率點(diǎn)設(shè)定方法，那么可獲得79.4W功率，而不是在真正最大功率點(diǎn)21V上可獲得的90.1W；這表明在這種情況下?lián)p失了13.5%的功率。顯然可跟蹤真正最大功率點(diǎn)并在其上工作的系統(tǒng)會(huì)有卓越功率表現(xiàn)。
圖3 當(dāng)太陽能電池板被部分遮擋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較復(fù)雜的功率曲線。
太陽能供電可再充電電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
太陽能電池板的典型效率約在5-15%之間。考慮到較大型(即更強(qiáng)大)的電池板成本更高，所以太陽能供電設(shè)計(jì)必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統(tǒng)總體成本。
太陽能供電產(chǎn)品要有效收集太陽能，其設(shè)計(jì)必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時(shí)還能夠使太陽能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。并且，該設(shè)計(jì)必須能夠?yàn)樵摦a(chǎn)品選擇安全的化學(xué)組成電池充電。
在太陽能充電系統(tǒng)中，還會(huì)遇到其他設(shè)計(jì)問題嗎？就任意給定太陽能供電系統(tǒng)而言，固件開發(fā)和調(diào)試可能需要大量時(shí)間，如果太陽能電池板的最佳功率提供點(diǎn)可以低于、等于或高于電池電壓(這是非常常見的情況)，那么會(huì)需要更加復(fù)雜的升降壓拓?fù)洹?br />
升降壓拓?fù)湓试S真正的雙向隔離(相較于降壓型拓?fù)?，如果電池板沒得到光照，那么它可能透過NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量)。為保護(hù)電池，須要恰當(dāng)?shù)碾妷航K止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電(充電器給電池饋電，且負(fù)載連接到電池)，在這種情況下，電池既是電源，又做為緩沖器使用。
最大功率點(diǎn)追蹤提升太陽能系統(tǒng)發(fā)電量
太陽能電池板可能在某些非理想環(huán)境條件下工作，如電池板部分被遮擋(樹葉、鳥糞、陰影、雪等)、電池板的溫度變化、電池板老化等；最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)這種方法有助于在所有工作條件下，從太陽能電池板汲取最多能量。
在離網(wǎng)太陽能電池板系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)故障代價(jià)高昂，客戶希望盡可能從電池板汲取最多能量。此外，他們希望最大限度延長兩次太陽能供電系統(tǒng)維護(hù)之間的正常運(yùn)行時(shí)間。
真正的主動(dòng)最大功率點(diǎn)追蹤會(huì)找出所有條件下的最佳工作點(diǎn)，這會(huì)降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榭梢允褂米钚〉碾姵匕寤蜃钚〉碾姵?，從而減少過度設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求。真正的MPPT會(huì)發(fā)現(xiàn)最佳峰值功率點(diǎn)，并剔除假的局部最大功率點(diǎn)，這種局部最大功率點(diǎn)在部分被遮擋的電池板中很常見(電池板部分被遮擋時(shí)的供電模式由電池板內(nèi)部旁路二極管的數(shù)量和安排決定)。
解決上述問題的IC充電解決方案，須要具備以下特性，即使不是全部、也必須囊括許多特性：
● 最短的軟件和固件開發(fā)時(shí)間
● 彈性的升降壓拓?fù)?br />
● 主動(dòng)MPPT算法
● 簡單、自主運(yùn)行(無需微處理器)
● 因應(yīng)各種不同電池化學(xué)組成的終止算法
● 原地充電--向負(fù)載供電的同時(shí)給電池充電
● 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源
● 寬輸出電壓范圍以應(yīng)對多個(gè)電池組
● 高輸出/充電電流
● 小型、扁平解決方案
● 先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間占用效率
● 成本效益的解決方案
典型的復(fù)雜太陽能電池充電系統(tǒng)由一個(gè)直流對直流(DC-DC)開關(guān)電池充電器、一個(gè)微處理器和幾個(gè)IC，以及分立式組件組成，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)控制/追蹤功能；另一種可能的解決方案是太陽能模塊。不過這些解決方案費(fèi)用高昂、復(fù)雜而不易設(shè)計(jì)(需要軟件、固件等)，而且往往鎖定到假的太陽能電池板最大功率點(diǎn)上，因此無法以盡可能高的效率運(yùn)行。
有鑒于此，電源芯片商推出一種簡單、創(chuàng)新的高壓升降壓充電控制器IC，該IC專門針對太陽能應(yīng)用，既不須要開發(fā)軟件也不須要開發(fā)固件，因此可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)程。
圖4所示是一款因應(yīng)鉛酸和鋰電池的同步升降壓電池充電控制器，其具備自動(dòng)最大功率點(diǎn)追蹤和溫度補(bǔ)償功能。該組件的輸入電壓可以高于、低于或等于穩(wěn)定的電池浮動(dòng)電壓。
圖4 同步升降壓電池充電控制器的典型應(yīng)用電路
上述全功能電池充電器提供很多可選定電流定電壓(CC-CV)充電曲線，非常適合為各種鋰或鉛酸化學(xué)組成的電池充電，包括密封鉛酸電池、凝膠電池和富液式鉛酸電池，并且該芯片內(nèi)建所有充電終止算法，因此無需軟件或固件開發(fā)，可跳過此設(shè)計(jì)時(shí)間。
[page]
該電池充電控制器可操作于寬廣的6-80V輸入電壓范圍內(nèi)，采用四開關(guān)同步整流和單個(gè)電感就可產(chǎn)生1.3-80V電池浮動(dòng)電壓輸出。視外部FET選擇的不同而異，該組件能夠提供高達(dá)10A的充電電流，其MPPT電路能夠在太陽能電池板的整個(gè)工作范圍內(nèi)工作，即使電池板部分被遮擋而導(dǎo)致存在局部最大功率點(diǎn)，它也能找出真正的最大功率點(diǎn)。
一旦發(fā)現(xiàn)真正的最大功率點(diǎn)，這款電池充電控制器就會(huì)在該點(diǎn)上工作，同時(shí)運(yùn)用高頻抖動(dòng)方法快速追蹤局部最大功率點(diǎn)的變化。透過這種方法，即使在非理想工作環(huán)境中，該方案也能夠充分利用太陽能電池板產(chǎn)生的功率。
MPPT的全面搜索如圖5所示，圖5中較高的曲線顯示電池板輸出電壓；前述的升降壓太陽能電池充電控制器會(huì)控制電池板電壓達(dá)到開路電壓后，又再控制電池板線性斜坡下降至最低值。圖5中間的曲線則顯示隨電池板電壓變化的電池板電流；充電控制器測量該電流，然后在內(nèi)部計(jì)算功率，一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測得的最大功率點(diǎn)。
高頻抖動(dòng)方法用來追蹤兩次全面搜索之間最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的較小變化，如圖6所示。大約在示波器圖形的中間部位，為電池板加上了一次功率點(diǎn)變化，以模仿由于天空中云的移動(dòng)而改變電池板光照量的情況。
這時(shí)，前述充電控制器先在高于、后在低于目前MPPT點(diǎn)的范圍，以小幅度連續(xù)移動(dòng)電池板電壓，以檢查是否存在一個(gè)更好的工作點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)有，就追蹤到新的點(diǎn)上，并重復(fù)上述過程；透過這種方式，控制器不必太頻繁地進(jìn)行全面搜索就能夠追蹤變化。
前文介紹的新款升降壓太陽能電池充電控制器透過檢測電池上的外部熱敏電阻器，進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償。STATUS和FAULT接腳可用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)指示器燈。充電電流限制可透過改變一或兩個(gè)電阻來調(diào)節(jié)，用合適的電阻分壓器可選擇充電時(shí)間長度。該組件的其他特點(diǎn)包括輸入和充電電流限制接腳、一個(gè)3.3V穩(wěn)定低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)輸出、狀態(tài)接腳和可同步固定開關(guān)頻率。
新電池充電器突破MPPT設(shè)計(jì)瓶頸
太陽能既環(huán)保又隨時(shí)可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導(dǎo)致MPPT點(diǎn)移動(dòng)、老化、電池板部分被遮擋、日落、鳥糞等都可能降低電池板性能(圖7)。電源芯片商所開發(fā)出的新式升降壓開關(guān)穩(wěn)壓器電池充電器，可實(shí)現(xiàn)適合大多數(shù)電池類型的定電流定電壓充電曲線，例如鉛酸電池(密封SLA、富液式、凝膠)和鋰電池。
圖7 太陽能雖環(huán)保又便利，但容易因外在環(huán)境因素影響電池板性能。
該組件還為太陽能供電應(yīng)用提供自動(dòng)和高效的真正最大功率點(diǎn)追蹤，由于無需軟件或固件開發(fā)，所以可大幅縮短系統(tǒng)上市時(shí)間。相較于大型和復(fù)雜的同類充電系統(tǒng)，這種具成本效益和更簡單的解決方案，大幅簡化了過去非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù)。
相關(guān)閱讀：
拆解狂魔：一拆便知太陽能溫度傳感器
閉環(huán)無壓系統(tǒng)使太陽能供熱更加高效？怎么證明
邊拆邊學(xué)！DIY太陽能充電寶從拆解開始
