成本優(yōu)化的太陽能供電公共服務基礎設施進行能量存儲、照明和通信時需要考慮的因素

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能供電基礎設施開始在全世界采用。為了改進客戶服務、便利性和安全性，具有夜間照明和無線通信能力的公共服務站數量日益增多。有照明和可實時提供到達時間信息的公交站正在北美出現(xiàn)。太陽能供電售票亭也正在歐洲出現(xiàn)。在無法具成本效益地建造電力及有線通信基礎設施的偏遠地區(qū)，也可提供這類設施。這類設施都必須能進行無線通信，以執(zhí)行各自的功能。概念驗證已經有了，但是我們怎樣才能優(yōu)化系統(tǒng)內的電源網絡，以最高效率利用可得到的太陽光，從而最大限度地延長運行時間并最大限度地降低成本?

太陽能電池工作特性
太陽能電池板產生能量的多少與接收到的光照量成正比。云、樹木、灰塵、太陽能電池板的表面積以及太陽的旋轉都會產生影響，這些影響可能使可用來發(fā)電的光照量產生極大的波動。加之太陽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，大多數情況下，可能在幾段時間內會遇到對負載、充電器和電池無電可供的情況。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能電池供給充電單元的功率。

太陽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(xiàn)了一個有趣的趨勢，即就給定太陽能電池板而言，不管照明條件如何，當輸出電壓處于一個相對恒定的電壓 V_MPP 時，太陽能電池板會提供最大輸出功率。通過查看感興趣的太陽能電池板的技術文件，可以找到電壓 V_MPP。同時，也可以用一種很好的方法來獨立驗證 V_MPP 數值，通過在同樣的照明條件下逐漸增大或減小負載，畫出如圖 1 所示的那種 I-V 曲線，而讓太陽能電池板以各種不同的角度面對太陽，就可以非常容易地形成各種照明條件。

圖 1：典型太陽能電池板的輸出電流和功率隨輸出電壓變化的曲線

僅查看一個真實的太陽能電池板性能曲線，理解不了在電壓等于 V_MPP 時抽取功率的重要性。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(qū)內，用一個自動負載箱和直接面對太陽的太陽能電池板情況下，在 1 分鐘時間內收集的。如該圖所示，在陽光直射的情況下，一個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@個任務怎樣才能完成呢？

圖 2：Solec S-70C 太陽能電池板：輸出電流隨輸出電壓變化的曲線

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

減少阻抗失配的一種簡便的方法是在太陽能電池板的輸出與負載之間使用一個最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 電路。特別之處是，該電路可改變電流負載以保持電壓在 V_MPP。這種電路可以采用分立 (使用大量的組件) 或集成于一個器件 (如 LTM8062 開關µModule 電池充電器) 的方式來設計。LTM8062 所提供的 MPPT 是一種簡單的解決方案，可利用單個電阻器進行調節(jié)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。通過比較兩款相同配置方案的輸出功率，可以最好地展現(xiàn) MPPT 電路的有效性，兩款方案均采用一塊 Solec S-70C 太陽能板，其一啟用了 MPPT，另一個則停用了 MPPT，后者可通過將 LTM8062 的 V_INREG 引腳電平拉至 V_IN 來實現(xiàn)。測試電路原理圖在圖 3 中給出。

圖 3：最大充電電流為 6A 時，MPPT 有效性的測試電路原理圖

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) 降壓型開關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 的用戶可編程電池浮置電壓允許該器件支持一個由多達 8 節(jié)密封鉛酸電池、4 節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池或者 5 節(jié)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 10 個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 LTM8062，自動將電池充電電流減小或增大到 2A，以從太陽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 個外部組件就可正常工作，相比之下，傳統(tǒng)的分立式解決方案則需要 15 至 30 個組件。

到了用戶可調的時間限度以后，或充電電流下降至最低門限 (200mA) 以后，充電過程終止，電池電壓隨溫度變化的準確度為 1.5%。兩個集電極開路狀態(tài)指示信號 CHRG 和 FAULT 適用于 LED，以提供視覺提示。當該器件給電池充電時，發(fā)出 CHRG 指示信號。如果電池在固定時間限度內沒有以啟動充電來回應，或者當使用可選 NTC 熱敏電阻輸入引腳時發(fā)生了過熱情況，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 會自動給電池再充電。當太陽能電池板的電壓在夜間急劇下降時，內部隔離二極管用來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 LTM8062 的輸出可以并聯(lián)到一起。采用這種聯(lián)接方法時，這些 LTM8062 模塊可以共享單對反饋電阻器，如圖 3 所示。3 個 LTM8062 模塊并聯(lián)，在恒定電流充電狀態(tài)下，可實現(xiàn) 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，該產品仍然顯示了太陽能電池板的典型性能特性。在進行所有測量時，該太陽能電池板都與地平行放置，以模仿平坦的屋頂。

因為在真實應用中，電池的最初充電狀態(tài)隨系統(tǒng)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，所以用一個電子負載來模擬在恒定電流和恒定電壓充電區(qū)之間過渡時，從太陽能電池板抽取的最大功率的近似值。通過要求兩個電路處于這一工作點，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(jié)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 個并聯(lián) LTM8062 充電器模塊拉高到 6A，同時保持約為 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(qū)，當 MPPT 電路啟用和停用時，我們進行了一整天的測量。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，經常到午后就變得晴空萬里了。這也是我們在 7 月的一天進行實驗時的情況。 測量在正常工作時間進行，但實際應用將有可能在數據采集的前后提供幾個小時的額外光照。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：啟用和停用 MPPT 時的充電電流和功率

當 MPPT 電路工作時，輸送至模擬電池的電流及功率明顯高于該電路不工作時的水平。除了中午那段時間達到 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一會兒，那么 MPPT 電路啟用時，從太陽能電池板抽取的功率比該電路停用時多 18% 至 42%。總之，更顯著的改進往往發(fā)生在早上和晚上光照較弱的時候。在這 9 個小時中提供給負載的額外能量在最大峰值功率電路停用時約為 240W•hr，而MPPT 電路啟用時約為 300W•hr (參見圖 5)，提高了 25%。據此，一個 100W 的太陽能電池板系統(tǒng)在負載端的 MPPT 啟用時，與一個 125W 太陽能電池板系統(tǒng)在 MPPT 停用時所產生的功率相同。以太陽能電池板的市場價格為每瓦 1 至 2.54 歐元計算，可能節(jié)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

可靠的高能效照明
由于最大輸出功率現(xiàn)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(xù)使用的時間是熒光燈的 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，需要昂貴和復雜的驅動器。另外，熒光燈泡所需的較高電壓 AC 電源還會變成潛在無線通信的一個干擾源，下一節(jié)將對此加以闡述。LTM8042 恒定電流 LED 驅動器在效率、可靠性和便利性方面與 LTM8062 非常相似，為滿足照明需求提供了一個有價值的解決方案。

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

無論需要升壓、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。在這個實驗中，模擬的 8.4V 鋰離子電池組會在約 7V 時提供其大部分能量，從而在采用 Cree 公司的中性白光 XLAMP XM-L LED 時，允許 LTM8042 支持一個高達 16V 的 700mA LED 串，以提供 1300 流明的光通量。采用同一個電池組，LTM8042-1 能以高達 350mA 驅動一個 24V 的 LED 串，從而在采用 Lumileds 公司的中性白光 Luxeon Rebel ES LED 時，提供 1040 流明的光通量。如果兩個太陽能電池板串聯(lián)疊置，以將 V_MPP 提高到 26V，而且電池組電壓提高到 16.8V，那么在 350mA時，采用 Xlamp XM-L LED 可實現(xiàn)高達 2880 流明的光通量，而采用 Luxeon Rebel ES 可實現(xiàn) 1430 流明的光通量。LTM8042 和 LTM8042-1 構成了一個在 3V 至 30V 輸入電壓范圍工作的完整 LED 驅動器解決方案，而且僅需要很少的 3 個外部組件。

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

清晰的通信是關鍵
不管是 Wi-Fi、HSPA、LTE 抑或是其他無線標準，通信系統(tǒng)的功耗都在日益降低、而服務的區(qū)域則在持續(xù)擴大。無線通信是對公共服務基礎設施的一種簡易擴充。公共交通站點可將最新的實時服務信息傳遞給他們的乘客。售票處可辦理乘客的電子付費。太陽能供電型傳感器開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地點并由此緩解交通擁塞。在可能沒有傳統(tǒng)有線通信基礎設施的場合中，如果系統(tǒng)是脫離電網的，那么向系統(tǒng)及/ 或從系統(tǒng)進行清晰的信息傳遞 (特別是無線通信) 的能力是很關鍵。

在無線通信中，低噪聲輻射噪聲解決方案對于改善信號接收與傳輸質量是很重要。凌力爾特公司提供了 8 款簡單和易用的 DC/DC 降壓型 µModule 穩(wěn)壓器產品，這些產品通過了 EN55022 Class B 輻射 EMI (電磁干擾) 規(guī)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，相關的測試報告可以在線查閱。凌力爾特經過 EN55022 Class B 規(guī)范認證的降壓型µModule 穩(wěn)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間要求很高的無線通信網絡進行設計的工程師們而言，他們已經發(fā)現(xiàn)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。今天已有的技術使這種基礎設施有可能實現(xiàn)，不過需要優(yōu)化以使這種基礎設施能投入實用。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，因此以目前的價格計算，就 100 瓦峰值發(fā)電量而言，太陽能電池板的費用有可能節(jié)省 25 歐元至 63.5 歐元。面向 LED 照明和噪聲敏感無線通信的、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(tǒng)功能。憑借具 MPPT 的高效率、可靠和便利的電池充電器，結合先進的電池存儲技術、太陽能電池及高效率 LED，更多城市甚至偏遠環(huán)境現(xiàn)在都可以用經濟實惠的解決方案實現(xiàn)自助供電的智能公共基礎設施了。