太陽能系統(tǒng)中的高效前端接口設計方案

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，即可實現(xiàn)挖掘太陽能的最大潛能。

太陽能看似是免費的、無限再生的能源，實際上，要想將太陽中的撞擊電子轉變成可利用的資源，需要嚴謹?shù)脑O計方案，先進的電子設備，精密的電池充電/放電管理。太陽能應用廣泛，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。）

? 為住宅或遠程安裝備份、補充能源。（可運輸，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，固定在適當位置，功率達到成千上萬千瓦，輸出交流電上千伏。

圖1中，雖然實際應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)只是設計中的一小部分，但實際上很重要：它包括一個前端，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)還包括電額負荷管理塊，負責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，以滿足負載的要求。 [功率是能源的轉換產物，操作負載;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，功能塊（如傳感器和射頻鏈路）是沒有用的。 （來源：貿澤）

事實上，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，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，存儲和輸出轉換的損失，太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當?shù)停疫€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（MW-range harvesting applications） 中（不必擔心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。這是因為任何損失或低效率在這之后都不能彌補，撞擊太陽能也將永遠丟失。

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。忽略不計輸出電壓和電流，設計者的目標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，有一個獨特的“工作點”稱為最大功率點（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載，以實現(xiàn)最大功率傳輸相類似，諸如功率放大器的輸出阻抗和負載天線，或者從一個天線到RF前端之間。大多數(shù)這樣的情況下，源和負載阻抗的參數(shù)是相對恒定的，所以形成了一個固定電路（某些應用中，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移位。其結果是，為獲得最大效率，太陽能系統(tǒng)必須動態(tài)改變電池上的負載，稱為最大功率點追蹤（以下簡稱MPPT）。MPPT反應負載線、最大功率線和電流電壓之間的關系、負載線、最大功率線和功率電壓之間的關系（圖2a和圖2b）。

表格 1 電阻負載和光伏電源；電流電壓曲線

表格 2電阻負載和光伏電源；電流電壓曲線

圖2a：表a和表b的光伏陣列很復雜。負載線（紅線）和最大功率線（藍線）的交點是效率最高的。（紐卡斯爾大學，電力電子驅動器和機械研究組）

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

2、MPPT的選擇

除了MPPT的算法，實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）來實現(xiàn)最大功率點追蹤。而選擇固件，最大程度上微調甚至改變了最大功率點（MPPT）追蹤算法，也可能成為一個系統(tǒng)的負擔；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，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現(xiàn)單個最大功率點追蹤，通常是成本效益和效率最高的; 盡管作為單獨的電池和區(qū)具有不同的特性，但因為多單元陣列分布在更大的區(qū)域，有的甚至只有幾平方米，所以有必要提供單獨的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。

一個嵌入MPPT的前端集成電路例子是來自意法半導體公司的SPV1020，圖3.該集成電路集成了一個四相位交錯直流 / 直流（ DC/ DC）升壓轉換器，以最大限度地提高由光電板產生的功率輻射水平。SPV1020控制脈寬調變（PWM)，是一個固定頻率轉換器，通過嵌入邏輯運行的擾動 - 觀察算法，實現(xiàn)循環(huán)控制。電源的開關頻率內部默認值為100千赫，生成轉換器，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：意法半導體的SPV1020是一個直流 /直流DC / DC升壓轉換器（嵌入MPPT算法），其基本操作中不需要處理器管理。

供應商認為，自從最大功率點計算當?shù)鼗ㄒ韵潞喎QMPP）后，系統(tǒng)效率比使用拓撲時要高，使用拓撲時，MPP計算通過一個集中逆變器拓撲結構來實現(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備的數(shù)量。至于長期的可靠性，直流/ 直流（DC / DC）轉換器的四相交織拓撲無需使用電解電容，往往成為限制系統(tǒng)長壽命的因素。設計者可以在一個面板陣列中使用多個SPV1020s，每個面板一個裝置;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構中的使用。

光譜，復雜且靈活，其另一端是一個完全可編程控制器，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500W的能力）它基于C2000系列Piccolo F28035處理器，和兩交錯升壓級（用于最大功率點跟蹤，以及一個半橋諧振LLC隔離級），兩者都由一個單個MCU數(shù)字控制。設計者可以通過增量電導或擾亂-觀察算法選擇MPPT，使他們能夠檢測應用程序的兩個選項和有效性。

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

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，并作為設計使用的“開放源碼”。該評估板彌補了德州儀器公司產品 TMSHV1PHINVKIT的不足; 評估板和TMSHV1PHINVKIT提供了一個完整的從直流、到交流的太陽能供電逆變器系統(tǒng)。

一個中等大小的MPPT，使用像PIC16F1503單片機（美國微芯科技公司）這樣的設備。這個集成電路是一系列增強型核心設備之一，其中包括外圍設備，如NCO（數(shù)控振蕩器），CWG（互補波發(fā)生器）或CLC（可配置邏輯單元）。微芯公司提供MPPT流程圖和應用筆記中的代碼模塊[參考文獻1（AN1467）和2（AN1521）]; 兩者都可以與正抗阻變換器（PIC器件）使用，同時單獨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、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，所以任何設計必須注重其前端效率（如MPPT問題）從而使這種方法在經(jīng)濟上合理，技術上可行。無論設計師選擇專用前端集成電路或完全可編程集成電路，處理器的設計都必須考慮以下幾個因素：太陽能電池陣列的尺寸，物理布局，所需模塊化和成本。