成本優(yōu)化的太陽(yáng)能供電公共服務(wù)基礎設施

　　轉向更加環(huán)保的解決方案是當前的一種趨勢，與這種趨勢一致的是自助維持運行的太陽(yáng)能供電基礎設施開(kāi)始在全世界采用。為了改進(jìn)客戶(hù)服務(wù)、便利性和安全性，具有夜間照明和無(wú)線(xiàn)通信能力的公共服務(wù)站數量日益增多。有照明和可實(shí)時(shí)提供到達時(shí)間信息的公交站正在北美出現。太陽(yáng)能供電售票亭也正在歐洲出現。在無(wú)法具成本效益地建造電力及有線(xiàn)通信基礎設施的偏遠地區，也可提供這類(lèi)設施。這類(lèi)設施都必須能進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，以執行各自的功能。概念驗證已經(jīng)有了，但是我們怎樣才能優(yōu)化系統內的電源網(wǎng)絡(luò )，以最高效率利用可得到的太陽(yáng)光，從而最大限度地延長(cháng)運行時(shí)間并最大限度地降低成本?

　　太陽(yáng)能電池工作特性

　　太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生能量的多少與接收到的光照量成正比。云、樹(shù)木、灰塵、太陽(yáng)能電池板的表面積以及太陽(yáng)的旋轉都會(huì )產(chǎn)生影響，這些影響可能使可用來(lái)發(fā)電的光照量產(chǎn)生極大的波動(dòng)。加之太陽(yáng)能電池具有高的源阻抗特性，所以在負載試圖抽取相對大的恒定電流時(shí)，大多數情況下，可能在幾段時(shí)間內會(huì )遇到對負載、充電器和電池無(wú)電可供的情況。因此，必須應用一種電路，以仔細控制電流，并相應地最大限度提高太陽(yáng)能電池供給充電單元的功率。

　　太陽(yáng)能電池板的典型輸出電流和輸出電壓特性如圖 1 所示。這里出現了一個(gè)有趣的趨勢，即就給定太陽(yáng)能電池板而言，不管照明條件如何，當輸出電壓處于一個(gè)相對恒定的電壓 VMPP 時(shí)，太陽(yáng)能電池板會(huì )提供最大輸出功率。通過(guò)查看感興趣的太陽(yáng)能電池板的技術(shù)文件，可以找到電壓 VMPP。同時(shí)，也可以用一種很好的方法來(lái)獨立驗證 VMPP 數值，通過(guò)在同樣的照明條件下逐漸增大或減小負載，畫(huà)出如圖 1 所示的那種 I-V 曲線(xiàn)，而讓太陽(yáng)能電池板以各種不同的角度面對太陽(yáng)，就可以非常容易地形成各種照明條件。

　　圖 1：典型太陽(yáng)能電池板的輸出電流和功率隨輸出電壓變化的曲線(xiàn)

　　INCREASING ILLUMINATION：照明亮度提高

　　CURRENT：電流

　　POWER：功率

　　僅查看一個(gè)真實(shí)的太陽(yáng)能電池板性能曲線(xiàn)，理解不了在電壓等于 VMPP 時(shí)抽取功率的重要性。圖 2 中的數據是在晴朗的天空下，在凌力爾特公司位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯的公司園區內，用一個(gè)自動(dòng)負載箱和直接面對太陽(yáng)的太陽(yáng)能電池板情況下，在 1 分鐘時(shí)間內收集的。如該圖所示，在陽(yáng)光直射的情況下，一個(gè)不受控制的負載可能使得凈輸出功率在低于 2W 至 47W 的范圍內變化。如果有可能保持太陽(yáng)能電池板的輸出電壓約為恒定的 13V，那么我們就可以保證向負載提供最大功率?？墒沁@個(gè)任務(wù)怎樣才能完成呢?

　　圖 2：Solec S-70C 太陽(yáng)能電池板：輸出電流隨輸出電壓變化的曲線(xiàn)

　　Output Power：輸出功率

　　Solec S-70C Panel Power Curve (Facing sun)：

　　Solec S-70C 太陽(yáng)能電池板的功率曲線(xiàn) (直接面對太陽(yáng))

　　(Taken at 12:45pm PDT July 11, 2011)：

　　(于 2011 年 7 月 11 日太平洋夏令時(shí)下午 12：45 收集的數據)

　　Output Current：輸出電流

　　Output Voltage：輸出電壓

　　優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率

　　利用太陽(yáng)能發(fā)電的成本仍然高于煤、天然氣等傳統能源，部分原因是太陽(yáng)能電池的價(jià)格很高。盡管每瓦的價(jià)格在下降，但 SolarBuzz.com 于 2011 年 7 月發(fā)布的一份研究報告顯示，視批量和技術(shù)的不同而不同，以每瓦峰值功率發(fā)電量計算，太陽(yáng)能電池的價(jià)格仍然處于0.96 至 2.54 歐元之間。如前所述，非理想的太陽(yáng)照射條件常常妨礙太陽(yáng)能電池板以峰值發(fā)電量工作。此外，就太陽(yáng)能供電應用而言，太陽(yáng)能電池板和負載 (在電壓不等于 VMPP 時(shí)工作) 之間任何潛在的阻抗失配都必須考慮，而且在計算太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量時(shí)要包括這個(gè)因素，以將這個(gè)因素的影響加入到系統的設計中。隨著(zhù)失配的降低，在實(shí)現同樣的功率輸出時(shí)，太陽(yáng)能電池板的尺寸和價(jià)格也會(huì )減小和降低。

　　減少阻抗失配的一種簡(jiǎn)便的方法是在太陽(yáng)能電池板的輸出與負載之間使用一個(gè)最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 電路。特別之處是，該電路可改變電流負載以保持電壓在 VMPP。這種電路可以采用分立 (使用大量的組件) 或集成于一個(gè)器件 (如 LTM8062 開(kāi)關(guān)µModule 電池充電器) 的方式來(lái)設計。LTM8062 所提供的 MPPT 是一種簡(jiǎn)單的解決方案，可利用單個(gè)電阻器進(jìn)行調節以確保能夠在相差很大的照明條件下向負載輸送最大的功率。通過(guò)比較兩款相同配置方案的輸出功率，可以最好地展現 MPPT 電路的有效性，兩款方案均采用一塊 Solec S-70C 太陽(yáng)能板，其一啟用了 MPPT，另一個(gè)則停用了 MPPT，后者可通過(guò)將 LTM8062 的 VINREG 引腳電平拉至 VIN 來(lái)實(shí)現。測試電路原理圖在圖 3 中給出。

　　圖 3：最大充電電流為 6A 時(shí)，MPPT 有效性的測試電路原理圖

　　OPEN: MPPT ACTIVE ----- 打開(kāi)：?jiǎn)⒂?MPPT

　　CLOSED: MPPT INACTIVE ------ 關(guān)閉：停用 MPPT

　　3 × Paralleled：3 個(gè)并聯(lián)

　　2-CELL Li-Ion (2 x 4.2V) BATTERY：兩節鋰離子 (2 x 4.2V) 電池

　　能量存儲：電路比較組件和配置

　　LTM8062 是一款高效率的集成式恒定電流 / 恒定電壓 (CC/CV) 降壓型開(kāi)關(guān)電池充電器解決方案，在 4.95V 至 32V 的輸入電壓范圍內工作。高達 18.8V 的用戶(hù)可編程電池浮置電壓允許該器件支持一個(gè)由多達 8 節密封鉛酸電池、4 節鋰離子或鋰聚合物電池或者 5 節磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池組成的電池組。與業(yè)內其他公司所建議并由超過(guò) 10 個(gè)組件組成的分立式解決方案相比，集成的 MPPT 電路極大地降低了設計復雜性。正如前面提到的那樣，該電路驅動(dòng) LTM8062，自動(dòng)將電池充電電流減小或增大到 2A，以從太陽(yáng)能電池提供最大輸出功率。在最基本的應用中，LTM8062 都僅需要 3 個(gè)外部組件就可正常工作，相比之下，傳統的分立式解決方案則需要 15 至 30 個(gè)組件。

　　到了用戶(hù)可調的時(shí)間限度以后，或充電電流下降至最低門(mén)限 (200mA) 以后，充電過(guò)程終止，電池電壓隨溫度變化的準確度為 1.5%。兩個(gè)集電極開(kāi)路狀態(tài)指示信號 CHRG 和 FAULT 適用于 LED，以提供視覺(jué)提示。當該器件給電池充電時(shí)，發(fā)出 CHRG 指示信號。如果電池在固定時(shí)間限度內沒(méi)有以啟動(dòng)充電來(lái)回應，或者當使用可選 NTC 熱敏電阻輸入引腳時(shí)發(fā)生了過(guò)熱情況，那么就發(fā)出 FAULT 指示信號。

　　如果電池電壓降至低于設定浮置電壓的 2.5%，或已插入新電池，那 LTM8062 會(huì )自動(dòng)給電池再充電。當太陽(yáng)能電池板的電壓在夜間急劇下降時(shí)，內部隔離二極管用來(lái)防止從電池回到電源的反向電流。就更大的充電電流而言，多個(gè) LTM8062 的輸出可以并聯(lián)到一起。采用這種聯(lián)接方法時(shí)，這些 LTM8062 模塊可以共享單對反饋電阻器，如圖 3 所示。3 個(gè) LTM8062 模塊并聯(lián)，在恒定電流充電狀態(tài)下，可實(shí)現 6A ±7.5% 的最大充電電流。充電終止電壓設定在 8.4V。

　　Solec International 公司的 S-70C 是一款單晶太陽(yáng)能電池板，額定峰值輸出功率為 70W。根據各種照明條件下的測試結果確定，最大功率電壓為 13V，盡管標簽上標明 VMPP 數值為 17V。不過(guò)，該產(chǎn)品仍然顯示了太陽(yáng)能電池板的典型性能特性。在進(jìn)行所有測量時(shí)，該太陽(yáng)能電池板都與地平行放置，以模仿平坦的屋頂。

　　因為在真實(shí)應用中，電池的最初充電狀態(tài)隨系統使用情況、電池尺寸、之前幾天的天氣情況以及其他因素的不同而有很大變化，所以用一個(gè)電子負載來(lái)模擬在恒定電流和恒定電壓充電區之間過(guò)渡時(shí)，從太陽(yáng)能電池板抽取的最大功率的近似值。通過(guò)要求兩個(gè)電路處于這一工作點(diǎn)，我們可以肯定，該電路能否支持充電周期中的其他所有事件。在對應于兩節鋰離子電池組的 8.4V 充電終止電壓情況下，要求該電子負載用 3 個(gè)并聯(lián) LTM8062 充電器模塊拉高到 6A，同時(shí)保持約為 8V 的電壓。

　　最大峰值功率跟蹤的有效性

　　夏天的某一天，在凌力爾特位于美國加利福尼亞洲米爾皮塔斯總部的室外園區，當 MPPT 電路啟用和停用時(shí)，我們進(jìn)行了一整天的測量。對舊金山夏天的氣候很熟悉的人都知道，早上灰蒙蒙的天氣，經(jīng)常到午后就變得晴空萬(wàn)里了。這也是我們在 7 月的一天進(jìn)行實(shí)驗時(shí)的情況。 測量在正常工作時(shí)間進(jìn)行，但實(shí)際應用將有可能在數據采集的前后提供幾個(gè)小時(shí)的額外光照。圖 4 示出了輸送至電子負載 (模仿我們的 8.4V 鋰離子電池) 的有效負載電流和功率。這一整天都處于接近最大吸取功率以及晴朗的天氣條件下 (特別注明的地方除外)。

　　圖 4：?jiǎn)⒂煤屯Ｓ?MPPT 時(shí)的充電電流和功率

　　Charge Current：充電電流

　　Overcast Sky：灰蒙蒙的天空

　　Charge Current & Power over Time：隨時(shí)間變化的充電電流和功率

　　LTM8062 Charge Current Limit Reached：已達到 LTM8062 的充電電流限制

　　Power with MPPT：?jiǎn)⒂?MPPT 時(shí)的功率

　　Power without MPPT：停用 MPPT 時(shí)的功率

　　Charge Current with MPPT：?jiǎn)⒂?MPPT 時(shí)的充電電流

　　Charge Current without MPPT：停用MPPT時(shí)的充電電流

　　Pacific Daylight Time：太平洋夏令時(shí)

　　Output Power to Battery：提供給電池的輸出功率

　　當 MPPT 電路工作時(shí)，輸送至模擬電池的電流及功率明顯高于該電路不工作時(shí)的水平。除了中午那段時(shí)間達到 LTM8062 內部最大充電電流限制的情況以外 (MPPT 啟用)，如圖所示提供給負載的電流增大了 20% 至 40%。如果將電池充電器和負載與電路分開(kāi)一會(huì )兒，那么 MPPT 電路啟用時(shí)，從太陽(yáng)能電池板抽取的功率比該電路停用時(shí)多 18% 至 42%?？傊?，更顯著(zhù)的改進(jìn)往往發(fā)生在早上和晚上光照較弱的時(shí)候。在這 9 個(gè)小時(shí)中提供給負載的額外能量在最大峰值功率電路停用時(shí)約為 240W•hr，而MPPT 電路啟用時(shí)約為 300W•hr (參見(jiàn)圖 5)，提高了 25%。據此，一個(gè) 100W 的太陽(yáng)能電池板系統在負載端的 MPPT 啟用時(shí)，與一個(gè) 125W 太陽(yáng)能電池板系統在 MPPT 停用時(shí)所產(chǎn)生的功率相同。以太陽(yáng)能電池板的市場(chǎng)價(jià)格為每瓦 1 至 2.54 歐元計算，可能節省的費用等于 25 歐元至 63.5 歐元。

　　圖 5：提供給電池的累計能量

　　Cumulative Energy Stored in Battery：存儲在電池中的累計能量

　　with MPPT：?jiǎn)⒂?MPPT

　　without MPPT：停用 MPPT

　　Pacific Daylight Time：太平洋夏令時(shí)

　　可靠的高能效照明

　　由于最大輸出功率現在可以高效率地存儲在電池中，所以今天最可靠和最高效率地提供夜間照明的方式是采用 LED。舊金山市新引入了采用 LED 的公交站消耗 74.4 瓦功率，相比之下，之前的熒光燈照明公交站消耗 336 瓦功率。擁有成本也降低了，因為 LED 可持續使用的時(shí)間是熒光燈的 10 倍。此外，LED 要求用 DC 電源工作，非常適合于用太陽(yáng)能電池板及電池提供的 DC 電源。熒光燈要求用范圍一般在 200V 至 1500kV 的 AC 電壓工作，當用 DC 電源工作時(shí)，需要昂貴和復雜的驅動(dòng)器。另外，熒光燈泡所需的較高電壓 AC 電源還會(huì )變成潛在無(wú)線(xiàn)通信的一個(gè)干擾源，下一節將對此加以闡述。LTM8042 恒定電流 LED 驅動(dòng)器在效率、可靠性和便利性方面與 LTM8062 非常相似，為滿(mǎn)足照明需求提供了一個(gè)有價(jià)值的解決方案。

　　圖 6a 和 6b：采用升壓型配置的 LTM8042 和 LTM8042-1

　　7V TO 8.4V：7V 至 8.4V

　　UP TO 16V：高達 16V

　　無(wú)論需要升壓、降壓或降壓-升壓型工作模式，LTM8042 和 LTM8042-1 都可以非常容易地配置為分別提供高達 1A 和 350mA 的恒定電流。在這個(gè)實(shí)驗中，模擬的 8.4V 鋰離子電池組會(huì )在約 7V 時(shí)提供其大部分能量，從而在采用 Cree 公司的中性白光 XLAMP XM-L LED 時(shí)，允許 LTM8042 支持一個(gè)高達 16V 的 700mA LED 串，以提供 1300 流明的光通量。采用同一個(gè)電池組，LTM8042-1 能以高達 350mA 驅動(dòng)一個(gè) 24V 的 LED 串，從而在采用 Lumileds 公司的中性白光 Luxeon Rebel ES LED 時(shí)，提供 1040 流明的光通量。如果兩個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)疊置，以將 VMPP 提高到 26V，而且電池組電壓提高到 16.8V，那么在 350mA時(shí)，采用 Xlamp XM-L LED 可實(shí)現高達 2880 流明的光通量，而采用 Luxeon Rebel ES 可實(shí)現 1430 流明的光通量。LTM8042 和 LTM8042-1 構成了一個(gè)在 3V 至 30V 輸入電壓范圍工作的完整 LED 驅動(dòng)器解決方案，而且僅需要很少的 3 個(gè)外部組件。

　　為了在黃昏和黎明時(shí)節省功率，LTM8042 支持兩種調光方法。采用圖 6b 所示的 PWM 輸入可實(shí)現高達 3000:1 的調光比。采用一個(gè)電阻器或電壓可以實(shí)現模擬調光。開(kāi)關(guān)頻率在 250kHz 至 2MHz 范圍內可調，而且可以同步至一個(gè)高達 2.5MHz 的外部時(shí)鐘，以適用于噪聲敏感應用。

　　清晰的通信是關(guān)鍵

　　不管是 Wi-Fi、HSPA、LTE 抑或是其他無(wú)線(xiàn)標準，通信系統的功耗都在日益降低、而服務(wù)的區域則在持續擴大。無(wú)線(xiàn)通信是對公共服務(wù)基礎設施的一種簡(jiǎn)易擴充。公共交通站點(diǎn)可將最新的實(shí)時(shí)服務(wù)信息傳遞給他們的乘客。售票處可辦理乘客的電子付費。太陽(yáng)能供電型傳感器開(kāi)始逐步應用于主要城市的街道中，可幫助駕駛者找到有空位的停車(chē)地點(diǎn)并由此緩解交通擁塞。在可能沒(méi)有傳統有線(xiàn)通信基礎設施的場(chǎng)合中，如果系統是脫離電網(wǎng)的，那么向系統及/ 或從系統進(jìn)行清晰的信息傳遞 (特別是無(wú)線(xiàn)通信) 的能力是很關(guān)鍵。

　　在無(wú)線(xiàn)通信中，低噪聲輻射噪聲解決方案對于改善信號接收與傳輸質(zhì)量是很重要。凌力爾特公司提供了 8 款簡(jiǎn)單和易用的 DC/DC 降壓型 µModule 穩壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通過(guò)了 EN55022 Class B 輻射 EMI (電磁干擾) 規范的認證，并具有業(yè)界最高的額定輸出功率。測試是采用標準的演示電路板來(lái)完成的，并可向所有的設計工程師提供演示電路板的 Gerber 文件。其 EMI 性能得到了由第三方所提供的獨立測試報告的證實(shí)，相關(guān)的測試報告可以在線(xiàn)查閱。凌力爾特經(jīng)過(guò) EN55022 Class B 規范認證的降壓型µModule 穩壓器系列可接受高達 36V 的工作輸入電壓和高達 8A 的輸出電流，并能在多個(gè)模塊之間支持準確的輸出電流均分，從而將輸出電流能力提升至 32A。對于那些要對運行時(shí)間要求很高的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設計的工程師們而言，他們已經(jīng)發(fā)現這些器件是非常有用的工具。

　　結論

　　自助供電的智能城市基礎設施的好處非常多。今天已有的技術(shù)使這種基礎設施有可能實(shí)現，不過(guò)需要優(yōu)化以使這種基礎設施能投入實(shí)用。LTM8062 微型模塊電池充電器具有MPPT 功能，可構成緊湊、便利、可靠和高效率的解決方案，使從太陽(yáng)能電池板抽取的功率提高多達 40%。在一天中，可以多獲取 25% 的能量，因此以目前的價(jià)格計算，就 100 瓦峰值發(fā)電量而言，太陽(yáng)能電池板的費用有可能節省 25 歐元至 63.5 歐元。面向 LED 照明和噪聲敏感無(wú)線(xiàn)通信的、緊湊和高效率電源模塊采用了緊湊的外形尺寸，以增強系統功能。憑借具 MPPT 的高效率、可靠和便利的電池充電器，結合先進(jìn)的電池存儲技術(shù)、太陽(yáng)能電池及高效率 LED，更多城市甚至偏遠環(huán)境現在都可以用經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案實(shí)現自助供電的智能公共基礎設施了。