太陽能系統(tǒng)中的高效前端接口設(shè)計(jì)方案

 為了最大程度挖掘太陽能的潛力，前端接口（位于電池和能源開采電路間）必須考慮到這些電池的特性; 通過不同的算法和各種硬件/軟件，即可實(shí)現(xiàn)挖掘太陽能的最大潛能。

太陽能看似是免費(fèi)的、無限再生的能源，實(shí)際上，要想將太陽中的撞擊電子轉(zhuǎn)變成可利用的資源，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方案，先進(jìn)的電子設(shè)備，精密的電池充電/放電管理。太陽能應(yīng)用廣泛，主要可分為三大類：

 

• 為物聯(lián)網(wǎng)收集能量，用于記錄數(shù)據(jù)（功率范圍是毫瓦，輸出直流、低電壓。）

• 為住宅或遠(yuǎn)程安裝備份、補(bǔ)充能源。（可運(yùn)輸，功率在百瓦至千瓦之間，輸出交流、線電壓）

• 作為電網(wǎng)的一部分，固定在適當(dāng)位置，功率達(dá)到成千上萬千瓦，輸出交流電上千伏。

圖1中，雖然實(shí)際應(yīng)用會忽視用戶所面臨的不便，但太陽能裝置（無線電路）還是具備大量的子功能。從高層次來看，電力子系統(tǒng)只是設(shè)計(jì)中的一小部分，但實(shí)際上很重要：它包括一個(gè)前端，接口連接太陽能電池并從中收集能量; 通過電源管理功能將能量輸入存儲元件（電池或超級電容器），系統(tǒng)還包括電額負(fù)荷管理塊，負(fù)責(zé)從存儲元件中提取能量。該系統(tǒng)收集的能量（焦耳）可用，但他會作為功率（瓦）釋放出來，以滿足負(fù)載的要求。 [功率是能源的轉(zhuǎn)換產(chǎn)物，操作負(fù)載;但首先必須作為能源被收集起來。]

圖1：在這種情況下，對于物聯(lián)網(wǎng)來說，一個(gè)完整的太陽能供電系統(tǒng)，由許多功能塊組成; 用作備份或備用電源時(shí)，功能塊（如傳感器和射頻鏈路）是沒有用的。 （來源：貿(mào)澤）

事實(shí)上，我們必須了解從太陽中到底能提取多少功率。太陽輻射到達(dá)地球大氣上層平均約為1千瓦/平方米，或0.1瓦/平方厘米。

即使在晴天，只有一小部分輻射能到達(dá)地面，由于大氣吸收，太陽能電池的效率只有15-20％，因此樂觀的估計(jì)，太陽能電池釋放出的可利用能量約為10毫瓦/平方厘米。排除獲取，存儲和輸出轉(zhuǎn)換的損失，太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當(dāng)?shù)?，而且還不包括黑暗、多云、季節(jié)性輻射和經(jīng)緯度等因素的影響。

由此可看，尤其是在中波收集器技術(shù)（MW-range harvesting applications） 中（不必?fù)?dān)心I2R的損耗），經(jīng)太陽能供電系統(tǒng)造成的任何微小損失，都是至關(guān)重要的。這種優(yōu)化最具挑戰(zhàn)性的是在前端，那里太陽能電池的功率輸出必須被提取并采集。這是因?yàn)槿魏螕p失或低效率在這之后都不能彌補(bǔ)，撞擊太陽能也將永遠(yuǎn)丟失。

1、效率始于電源插座

與大多數(shù)傳統(tǒng)的電源（比如內(nèi)阻，其電流或電壓源具有固定參數(shù)）不同，太陽能電池具有不尋常的特性。忽略不計(jì)輸出電壓和電流，設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是從太陽能電池中獲得最大功率，但電壓和電流都將隨著操作條件的變化而變化。

根據(jù)一組給定的工作條件，有一個(gè)獨(dú)特的“工作點(diǎn)”稱為最大功率點(diǎn)（MPP），電池提供最大功率（V×I）的輸出。為提取功率，連接電路的電阻 - 必須與電池的電阻的特性相匹配。

該匹配情況與任何電源匹配到負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸相類似，諸如功率放大器的輸出阻抗和負(fù)載天線，或者從一個(gè)天線到RF前端之間。大多數(shù)這樣的情況下，源和負(fù)載阻抗的參數(shù)是相對恒定的，所以形成了一個(gè)固定電路（某些應(yīng)用中，特別是高性能的射頻，也考慮到由于自熱和環(huán)境條件，一些參數(shù)不隨溫度而變化）。

然而，太陽能電池的操作條件是不恒定的，并且由于照明的變化、電池的溫度、電池的年齡和其它因素的變化而反復(fù)移位。其結(jié)果是，為獲得最大效率，太陽能系統(tǒng)必須動(dòng)態(tài)改變電池上的負(fù)載，稱為最大功率點(diǎn)追蹤（以下簡稱MPPT）。MPPT反應(yīng)負(fù)載線、最大功率線和電流電壓之間的關(guān)系、負(fù)載線、最大功率線和功率電壓之間的關(guān)系（圖2a和圖2b）。

表格 1 電阻負(fù)載和光伏電源；電流電壓曲線

表格 2電阻負(fù)載和光伏電源；電流電壓曲線
 

圖2a：表a和表b的光伏陣列很復(fù)雜。負(fù)載線（紅線）和最大功率線（藍(lán)線）的交點(diǎn)是效率最高的。（紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，電力電子驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械研究組）

MPPT可以通過幾種方法來實(shí)現(xiàn)：在“擾動(dòng)和觀察”技術(shù)中，電路板的輸出被監(jiān)測時(shí)，前端電阻是“抖動(dòng)”的; 如果它在這一方向上持續(xù)增加，則會在一定范圍內(nèi)檢測出哪里的輸出為最大，這是優(yōu)化問題的標(biāo)準(zhǔn)方法。其它方法包括操縱電池跨導(dǎo)，用掃電流或電壓驅(qū)動(dòng)，以確定電池的內(nèi)部參數(shù)。每個(gè)方法都有利弊：在尋找最大功率點(diǎn)時(shí)存在潛在的過度振蕩或“擺動(dòng)”，或者尋求最大功率點(diǎn)時(shí)存在的次最佳性能。

2、MPPT的選擇

除了MPPT的算法，實(shí)際上可以通過硬件中的專用集成電路或通過（也叫軟件，作為系統(tǒng)微控制器的編程的一部分）來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。而選擇固件，最大程度上微調(diào)甚至改變了最大功率點(diǎn)（MPPT）追蹤算法，也可能成為一個(gè)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；和固定功能的集成電路相比，因此需要更高的速度，更耗電的處理器。伴隨著所有的工程決策，決定一定會有利弊，與此同時(shí)，主要的成本或功率增量會越過閾值。

對于小的收集系統(tǒng)，通過專用集成電路實(shí)現(xiàn)單個(gè)最大功率點(diǎn)追蹤，通常是成本效益和效率最高的; 盡管作為單獨(dú)的電池和區(qū)具有不同的特性，但因?yàn)槎鄦卧嚵蟹植荚诟蟮膮^(qū)域，有的甚至只有幾平方米，所以有必要提供單獨(dú)的MPPT對分區(qū)。在具有專用MPPT的前端集成電路，具有嵌入式MPPT的收集子系統(tǒng)集成電路，和基于固件的MPPT處理器中進(jìn)行選擇，這取決于太陽能陣列，功率電平的大小，和靈活需要。

一個(gè)嵌入MPPT的前端集成電路例子是來自意法半導(dǎo)體公司的SPV1020，圖3.該集成電路集成了一個(gè)四相位交錯(cuò)直流 / 直流（ DC/ DC）升壓轉(zhuǎn)換器，以最大限度地提高由光電板產(chǎn)生的功率輻射水平。SPV1020控制脈寬調(diào)變（PWM)，是一個(gè)固定頻率轉(zhuǎn)換器，通過嵌入邏輯運(yùn)行的擾動(dòng) - 觀察算法，實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制。電源的開關(guān)頻率內(nèi)部默認(rèn)值為100千赫，生成轉(zhuǎn)換器，但是外部值從50千赫至200千赫，而占空比范圍可從5％變至90％（緊步驟增量值0.2％）。

圖3：意法半導(dǎo)體的SPV1020是一個(gè)直流 /直流DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器（嵌入MPPT算法），其基本操作中不需要處理器管理。
 

供應(yīng)商認(rèn)為，自從最大功率點(diǎn)計(jì)算當(dāng)?shù)鼗ㄒ韵潞喎QMPP）后，系統(tǒng)效率比使用拓?fù)鋾r(shí)要高，使用拓?fù)鋾r(shí)，MPP計(jì)算通過一個(gè)集中逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。由于集成電路由場效電晶體和同步整流電源組成，從而最大限度地減少外部設(shè)備的數(shù)量。至于長期的可靠性，直流/ 直流（DC / DC）轉(zhuǎn)換器的四相交織拓?fù)錈o需使用電解電容，往往成為限制系統(tǒng)長壽命的因素。設(shè)計(jì)者可以在一個(gè)面板陣列中使用多個(gè)SPV1020s，每個(gè)面板一個(gè)裝置;這些面板可以串聯(lián)連接，并聯(lián)，或串聯(lián)/并聯(lián)的組合。供應(yīng)商還提供了集成電路的評估板，演示在不同的功率水平和結(jié)構(gòu)中的使用。

光譜，復(fù)雜且靈活，其另一端是一個(gè)完全可編程控制器，如TMDSHVMTRPFCKIT（高電壓、太陽能開發(fā)工具包、德州儀器公司出品，以下簡稱TMDSHVMTRPFCKIT）。這個(gè)完整的評估包，圖4，是針對高功率系統(tǒng)的。（輸入200-300直流電壓和高達(dá)500W的能力）它基于C2000系列Piccolo F28035處理器，和兩交錯(cuò)升壓級（用于最大功率點(diǎn)跟蹤，以及一個(gè)半橋諧振LLC隔離級），兩者都由一個(gè)單個(gè)MCU數(shù)字控制。設(shè)計(jì)者可以通過增量電導(dǎo)或擾亂-觀察算法選擇MPPT，使他們能夠檢測應(yīng)用程序的兩個(gè)選項(xiàng)和有效性。

圖4：對于一個(gè)完全可編程解決方案，德州儀器TMDSHVMTRPFCKIT是個(gè)高電壓，擁有現(xiàn)有MPPT算法的隔離太陽能開發(fā)工具包，是個(gè)基于Piccolo F28035 處理器的設(shè)備;它可在500瓦范圍內(nèi)供應(yīng)。
 

它還包括USB連接的邊界掃描仿真（），從而消除了對外部硬件，和快速啟動(dòng)圖形用戶界面的需要。所有的硬件和軟件都被完整的記錄，并作為設(shè)計(jì)使用的“開放源碼”。該評估板彌補(bǔ)了德州儀器公司產(chǎn)品 TMSHV1PHINVKIT的不足; 評估板和TMSHV1PHINVKIT提供了一個(gè)完整的從直流、到交流的太陽能供電逆變器系統(tǒng)。

一個(gè)中等大小的MPPT，使用像PIC16F1503單片機(jī)（美國微芯科技公司）這樣的設(shè)備。這個(gè)集成電路是一系列增強(qiáng)型核心設(shè)備之一，其中包括外圍設(shè)備，如NCO（數(shù)控振蕩器），CWG（互補(bǔ)波發(fā)生器）或CLC（可配置邏輯單元）。微芯公司提供MPPT流程圖和應(yīng)用筆記中的代碼模塊[參考文獻(xiàn)1（AN1467）和2（AN1521）]; 兩者都可以與正抗阻變換器（PIC器件）使用，同時(shí)單獨(dú)的流程圖可以用作任何處理器編程工作的指南。

對于電子電路來說，從小型物聯(lián)網(wǎng)到大型備份，甚至主電源，太陽能由于其免費(fèi)、永不耗竭的優(yōu)勢，具有巨大的吸引力。然而，現(xiàn)有可供利用的太陽能只是一小部分，所以任何設(shè)計(jì)必須注重其前端效率（如MPPT問題）從而使這種方法在經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行。無論設(shè)計(jì)師選擇專用前端集成電路或完全可編程集成電路，處理器的設(shè)計(jì)都必須考慮以下幾個(gè)因素：太陽能電池陣列的尺寸，物理布局，所需模塊化和成本。