兼顧效率與成本的太陽(yáng)能系統的設計

太陽(yáng)能是綠色能源，而且是免費的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會(huì )導致太陽(yáng)能電池板的 最佳功率提供點(diǎn)偏移，此外，設備老化、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(yáng)能電池板的性能?；谶@些可靠性和可變性問(wèn)題，幾乎所有太 陽(yáng)能供電設備都采用可再充電電池，以提供備分電源;過(guò)去一度僅使用鉛酸電池，現在所用電池種類(lèi)已經(jīng)擴大到包括鋰電池了。

太陽(yáng)能供電應用之所以配備再充電系統，是為了盡可能汲取更多的太陽(yáng)能，以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當太陽(yáng)能電池板得到的光照很少或沒(méi)有光照時(shí)，電池漏電大小就至關(guān)重要，無(wú)論何時(shí)只要可能，就應該減到最少。

顯 然，太陽(yáng)能供電應用正處于成長(cháng)階段?，F在有各種不同尺寸的太陽(yáng)能電池板可為各種各樣的創(chuàng )新應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實(shí)機、海上浮標燈等;有些 太陽(yáng)能供電應用采用的電池是深度循環(huán)類(lèi)電池，能承受很多個(gè)反復充電周期以及深度放電，這類(lèi)電池常見(jiàn)于離網(wǎng)(即與電力公司電網(wǎng)斷開(kāi))可再生能源系統，例 如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統。就離網(wǎng)系統而言，系統運行時(shí)間非常重要，因為這類(lèi)系統并不易靠近。

太陽(yáng)能電池板基礎知識

就 一定量的光能和工作條件而言，太陽(yáng)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所示為由七十二節電池組成的太陽(yáng)能電池板，在電池板溫度為60°C 時(shí)的特性。虛線(xiàn)代表電池板的I-V曲線(xiàn)，X軸表示電池板電壓。實(shí)線(xiàn)表示當電池板電壓從0V變化到電池板開(kāi)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(jiǎn)單的負載箱實(shí)現的。

圖1　在不存在局部光照被遮擋的情況下，給定太陽(yáng)能電池板的簡(jiǎn)單功率曲線(xiàn)。

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(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電系統會(huì ) 將電池板電壓工作點(diǎn)設定為固定值;在上述特定電池板情況下，這類(lèi)較簡(jiǎn)單的系統會(huì )將電池板工作點(diǎn)設定到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(guò)，當電池板溫度變化時(shí)，會(huì )浪費大量功率，因為電池板不在真正的最大功率點(diǎn)上工作了。在這類(lèi)情況下，可能會(huì )浪費20-30%以上的可用功 率。

使情況變得更糟的是，按照已實(shí)行的安全標準，大多數電池板必須在太陽(yáng)能電池數組中裝上旁路二極管;這么做的原因，是當部分電池板被遮住而得不到太陽(yáng)光照射，而其他部分得到充足陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)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(yáng)能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過(guò)，因為其他得到充足光照的電池正在提供電流，被遮住的電池溫度可能上升，這有可能造成火 災。為了幫助降低火災風(fēng)險，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電池的太陽(yáng)能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。

圖2　出于安全考慮，七十二節電池的太陽(yáng)能電池板上放置了三個(gè)旁路二極管。

由 于電池板中存在旁路二極管，當部分電池板被遮擋時(shí)，就可能出現復雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況，其中出現了兩個(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(jiǎn)單的32V功率點(diǎn)設定方法，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會(huì )有卓越功率表現。

圖3　當太陽(yáng)能電池板被部分遮擋時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較復雜的功率曲線(xiàn)。

太陽(yáng)能供電可再充電電池系統設計挑戰

太陽(yáng)能電池板的典型效率約在5-15%之間?？紤]到較大型(即更強大)的電池板成本更高，所以太陽(yáng)能供電設計必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統總體成本。

太陽(yáng)能供電產(chǎn)品要有效收集太陽(yáng)能，其設計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時(shí)還能夠使太陽(yáng)能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。并且，該設計必須能夠為該產(chǎn)品選擇安全的化學(xué)組成電池充電。

在太陽(yáng)能充電系統中，還會(huì )遇到其他設計問(wèn)題嗎?就任意給定太陽(yáng)能供電系統而言，固件開(kāi)發(fā)和調試可能需要大量時(shí)間，如果太陽(yáng)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(jiàn)的情況)，那么會(huì )需要更加復雜的升降壓拓撲。

升 降壓拓撲允許真正的雙向隔離(相較于降壓型拓撲，如果電池板沒(méi)得到光照，那么它可能透過(guò)NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量)。為保護電池，須要恰當 的電壓終止。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(yáng)能系統發(fā)電量

太陽(yáng)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(shù)葉、鳥(niǎo)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(yáng)能電池板汲取最多能量。

在離網(wǎng)太陽(yáng)能電池板系統中，電源系統故障代價(jià)高昂，客戶(hù)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(cháng)兩次太陽(yáng)能供電系統維護之間的正常運行時(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 )降低系統總體成本，因為可以使用最小的電池板或最小的電池，從而減少過(guò)度設計系統的需求。真正 的MPPT會(huì )發(fā)現最佳峰值功率點(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(jiàn)(電池板部分被遮擋時(shí)的供電模式由電池板內 部旁路二極管的數量和安排決定)。

解決上述問(wèn)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(kāi)發(fā)時(shí)間

● 彈性的升降壓拓撲

● 主動(dòng)MPPT算法

● 簡(jiǎn)單、自主運行(無(wú)需微處理器)

● 因應各種不同電池化學(xué)組成的終止算法

● 原地充電--向負載供電的同時(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