偏遠(yuǎn)地區(qū)的福音--可攜帶太陽(yáng)能

即使以當(dāng)前的消耗速度，地球從太陽(yáng)接收的能量是世界使用能量的數(shù)千倍。盡管這種潛在能源是免費(fèi)的，但是獲取、保存和使用這種能源所必需的技術(shù)卻不是免費(fèi)的。不過(guò)，經(jīng)過(guò)幾十年的蟄伏，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)正在再一次加速，而且太陽(yáng)能的成本也在不斷下降。

自上世紀(jì)70年代石油危機(jī)以來(lái)，電池技術(shù)已經(jīng)顯著改進(jìn)。盡管1970年就可獲得鉛酸蓄電池，但那時(shí)鎳化學(xué)組成的電池仍處于初期，而且實(shí)際上沒(méi)有可再充電的鋰化學(xué)組成的電池。因此，在上一次太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)繁榮期，用于便攜式產(chǎn)品的太陽(yáng)能供電電池充電器的理念根本不存在。

今天，便攜式產(chǎn)品似乎無(wú)所不在，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師夢(mèng)想太陽(yáng)能供電功能出于幾個(gè)原因：他們想向“綠色”轉(zhuǎn)變；他們沒(méi)有使用電網(wǎng)的機(jī)會(huì)；他們只是想通過(guò)任何可獲得的能源延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行壽命。太陽(yáng)能充裕、方便且價(jià)格合理。在偏遠(yuǎn)應(yīng)用中，太陽(yáng)能也許是數(shù)量非常有限的幾種可獲得的能源之一。

怎樣獲取和保存太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池板是由光生伏打 （PV） 電池組裝而成的大型系統(tǒng)，是將陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換成電的最常見(jiàn)方法。盡管存在很多不同的 PV 電池技術(shù)，但是一塊太陽(yáng)能電池板的基本功能仍然保持不變：電池板受到光照時(shí)產(chǎn)生電流。不過(guò)，與一般的電源不同，太陽(yáng)能電池板既不產(chǎn)生恒定電壓，也不產(chǎn)生恒定電流。

圖 1：Kyocera KC40T 特性

Cell Temperature：電池溫度

Current：電流

Power：功率

Voltage：電壓

圖 1 顯示 Kyocera 公司提供的一種 40W 多晶太陽(yáng)能電池板 （KC40T） 的 I-V 曲線。這個(gè)圖突出顯示了設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一：在電流負(fù)載有相對(duì)不太大的變化時(shí)，電池板輸出電壓可能顯著變化。此外，該 I-V 曲線隨溫度改變，因此室溫時(shí) 22V 的開(kāi)路電壓在 -10°C 時(shí)可能升高到 25V 左右。

典型太陽(yáng)能電池板效率的變化范圍約為 10% 至 40%。加上較大型 （也即更強(qiáng)大的） 電池板價(jià)錢(qián)更高的實(shí)際情況，太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)必須最大限度地提高效率，以最大限度地降低系統(tǒng)成本。圖 1 說(shuō)明太陽(yáng)能電池板的輸出功率如何隨著電壓和日射率 （測(cè)量所接收的太陽(yáng)輻射能量的單位） 而變化。為了獲取和保存盡可能最多的太陽(yáng)能，有必要讓太陽(yáng)能電池板接近其最大功率點(diǎn)運(yùn)行。

為了在一個(gè)便攜式產(chǎn)品中有效地獲取和保存太陽(yáng)能，該產(chǎn)品必須設(shè)計(jì)成可管理變化范圍很寬的輸入，并找到讓太陽(yáng)能電池板在或接近其最大功率點(diǎn)運(yùn)行的方法。此外，產(chǎn)品必須設(shè)計(jì)成可對(duì)便攜式產(chǎn)品首選化學(xué)組成的電池安全充電。

一種簡(jiǎn)單的解決方案 便宜的鉛酸蓄電池充電器簡(jiǎn)單地通過(guò)一個(gè)隔離二極管將 Kyocera KC40T 這類太陽(yáng)能電池板直接連接到電池。鉛酸蓄電池的輸出電壓一般很好地與很多太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)一致，這使得這種方法效率相當(dāng)高。不過(guò)，盡管這種設(shè)計(jì)也許簡(jiǎn)單和便宜，但是太陽(yáng)能電池板和電池特性限制了充電電流和充電電壓，從而導(dǎo)致肯定不遵循電池制造商性能規(guī)格的充電算法 （除非采用一種慢速、小電流涓流充電）。此外，盡管用鉛酸蓄電池可以接近最大功率，但是如果不為所選擇的電池化學(xué)組成制造定制的電池板，那么這種方法就不能延用于其它化學(xué)組成的電池。沒(méi)有充電控制和缺乏靈活性嚴(yán)重限制了這種方法的使用，尤其是對(duì)于鋰離子等有復(fù)雜充電算法的電池化學(xué)組成來(lái)說(shuō)，更是這樣。

一種更好的解決方案 進(jìn)一步研究圖 1 揭示出一個(gè)有趣的事實(shí)：太陽(yáng)能電池板的峰值輸出功率出現(xiàn)在對(duì)所有日射率值大約相同的輸出電壓上。太陽(yáng)能電池板制造商將這個(gè)電壓稱為最大功率電壓。凌力爾特公司提供的新型創(chuàng)新性電池充電器 LT3652 利用這個(gè)事實(shí)來(lái)提供一種簡(jiǎn)練的太陽(yáng)能供電電池充電器解決方案，該解決方案從太陽(yáng)能電池板抽取可獲得的最大功率。LT3652 功率跟蹤太陽(yáng)能電池充電器運(yùn)用一個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路，如果電池板輸出電壓降至低于設(shè)定的值，那么該環(huán)路就降低充電電流。就正在使用的特定太陽(yáng)能電池板而言，這個(gè)輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路保持電池板在對(duì)應(yīng)于峰值輸出功率點(diǎn)的輸出電壓上。一個(gè)電阻分壓器設(shè)定想要的特定最大功率電壓。此外，LT3652 具有 40V 絕對(duì)最大輸入電壓額定值，從而允許它非常容易地滿足大多數(shù)太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓要求 （甚至在低溫度情況）。

圖 2：用于 7.2V LiFePO4 電池、具 17V 峰值功率跟蹤的 2A 太陽(yáng)能電池板電源管理器

SOLAR PANEL INPUT：太陽(yáng)能電池板輸入

OC VOLTAGE：開(kāi)路電壓

SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負(fù)載

2-CELL LiFePO4 （2 x 3.6V） BATTERY PACK：兩節(jié)LiFePO4 （2 x 3.6V） 電池組

圖 2 是電池充電器原理圖的一個(gè)例子。連接到 VIN_REG 引腳的電阻分壓器將 LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路設(shè)定到 17V。50mW 的檢測(cè)電阻設(shè)定 2A 的滿充電電流。如果太陽(yáng)光照射情況不允許電池板提供設(shè)定的滿充電電流，那么輸入調(diào)節(jié)環(huán)路就降低充電電流，以在太陽(yáng)能電池板輸出保持 17V。這個(gè)伺服環(huán)路采取行動(dòng)，將電池充電器系統(tǒng)的功率要求動(dòng)態(tài)地降低至電池板可以提供的最大功率，因此可保持太陽(yáng)能電池板峰值功率效率接近 100%?？紤]型號(hào)為 340J 的 40W BP 太陽(yáng)能電池板。這個(gè)電池板在最大輸出功率時(shí)的輸出電流約為 2.3A，稍高于 LT3652 的最大充電電流。不過(guò)，隨著日射率變化，BP 340J 在最大功率時(shí)的輸出電流也會(huì)變化。圖 3 繪制了相應(yīng)于 BP 340J 最大輸出功率 95% 和 98% 的電壓曲線。換言之，紅色區(qū)域相當(dāng)于，相對(duì)于輸出電流 （即變化的日射率） 變化，對(duì)應(yīng)于 98% 至 100% 最大輸出功率的電壓，而藍(lán)色區(qū)域相當(dāng)對(duì)應(yīng)于 95% 至 98% 最大功率的電壓。純黑色線的位置顯示，LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路保持電池板接近 100% 的最大可獲得功率。

圖 3：太陽(yáng)能電池板輸入電壓調(diào)節(jié)以高于 98% 的接近度跟蹤最大功率點(diǎn) Input Voltage Regulation：輸入電壓調(diào)節(jié)

charger Output Current：充電器輸出電流

100% to 98% Peak Power：100% 至 98% 的峰值功率

溫度怎么樣？ 到這一點(diǎn)，分析和典型曲線都集中于以 25°C 運(yùn)行的情況。像 P-N 節(jié)一樣，PV 電池也有溫度系數(shù)。這種溫度系數(shù)影響太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓以及其最大功率電壓。典型的最大功率電壓溫度系數(shù)范圍為 -0.4 至 -0.5 %/°C。對(duì)于 BP 340J 這類電池板來(lái)說(shuō)，在 0 至 75°C的工作溫度范圍內(nèi)，這對(duì)應(yīng)于 5V 或 6V 電壓。LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的設(shè)計(jì)使溫度補(bǔ)償很簡(jiǎn)單。圖 4 顯示一個(gè)用便宜的 3 端器件精確匹配任何太陽(yáng)能電池板溫度系數(shù)的原理圖。LM134/234/334 （一個(gè)電流源和溫度傳感器） 測(cè)量太陽(yáng)能電池板的溫度，并相應(yīng)地調(diào)節(jié) LT3652 的輸入調(diào)節(jié)電壓。設(shè)計(jì)方程式如圖 4 所示，僅需要兩個(gè)輸入：電池板在 25°C 時(shí)的最大功率電壓和這個(gè)電壓的溫度系數(shù) （注：-0.45%/°C 的溫度系數(shù)應(yīng)該輸入為 -0.0045/°C）。

圖 4：用于 LT3652 簡(jiǎn)單的最大功率電壓溫度補(bǔ)償SOLAR PANEL：太陽(yáng)能電池板

LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路可以用其它方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，包括使用一個(gè)晶體管或二極管溫度傳感器或一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 的熱敏電阻。

靈活性、功能和性能LT3652 是一個(gè)高性能單片降壓型電池充電器，在 4.95V 至 32V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作 （具 40V 絕對(duì)最大額定值）。最大充電電流可以設(shè)定為高達(dá) 2A，準(zhǔn)確度為 5%，而且其電阻可編程浮置電壓滿足鋰離子/聚合物、LiFePO4、鉛酸蓄電池和鎳化學(xué)組成電池的要求。LT3652 可以配置為在充電電流降至低于設(shè)定的最大電流的 1/10 時(shí)終止，或用一個(gè)集成的終止定時(shí)器終止。NTC 輸入還提供執(zhí)行溫度合格充電的能力。圖 2 顯示一個(gè) 2A 兩節(jié) LiFePO4 電池組充電器。當(dāng)太陽(yáng)能電池板輸出電壓降至低于電池電壓時(shí)，一個(gè)附加的肖特基二極管為系統(tǒng)負(fù)載提供電源通路 （PowerPath）。

圖 5 顯示一個(gè)太陽(yáng)能供電的 1A 鉛酸蓄電池充電器。這個(gè)應(yīng)用運(yùn)用 1A 恒定電流將電池快速充電至高達(dá) 14.4V。當(dāng)充電電流降至 0.1A 時(shí)，充電器切換到 13.5V 浮置充電模式，直到太陽(yáng)落山為止 （終止定時(shí)器設(shè)定為 20 小時(shí)）。如果電池電壓降至低于 13.2V，那么快速充電重新啟動(dòng)，而且如果電池電壓低于 10V，就采用涓流充電 （150mA）。如果溫度超出 0°C 至 45°C 的充電范圍，NTC 熱敏電阻就暫停充電。

圖 5：1A 太陽(yáng)能供電的 3 級(jí) 12V 鉛酸蓄電池快速/浮置充電器 SOLAR PANEL INPUT：太陽(yáng)能電池板輸入

OC VOLTAGE：開(kāi)路電壓

PEAK POWER VOLTAGE：峰值功率電壓

SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負(fù)載

LEAD ACID BATTERY：鉛酸蓄電池

結(jié)論 太陽(yáng)能為便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)師提供很多好處。它常常是偏遠(yuǎn)地區(qū)惟一可獲得的電源，而且它幾乎是無(wú)限的。隨著人們?nèi)找嬖黾訉?duì)可再生能源的興趣。