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太陽能LED照明的能量轉(zhuǎn)換解析

作者: 時間:2016-12-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
隨著技術(shù)的快速發(fā)展,發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)和太陽能光伏電池的性能得到顯著提高,這進而有助于提升最終應用的性能。對于同時采用這兩種技術(shù)的應用(如太陽能照明應用),這兩大核心技術(shù)的進步將大大增強改善最終應用性能的潛力。此時,由于太陽能電池效率更高,可將更多的太陽能轉(zhuǎn)化為電能,因此可減小所需太陽能電池的面積,促使高效LED的夜間照明時間更長,燈光也更明亮。不過,太陽能照明解決方案制造商面臨的挑戰(zhàn)將是如何能夠快速且經(jīng)濟高效地利用技術(shù)進步的成果。最大程度發(fā)揮系統(tǒng)性能的其中一個辦法是利用能量轉(zhuǎn)換策略。借助堅實的能量轉(zhuǎn)換策略,用戶能夠快速開發(fā)與部署充分利用最新技術(shù)的解決方案。在本文中,我們將檢視組件,開發(fā)系統(tǒng),并介紹一種分析系統(tǒng)特性的高級方法。

背景

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/326183.htm

太陽能照明的示例不勝枚舉。無論是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)使用太陽能臺燈作為夜間閱讀的照明燈,還是對公共街道照明進行全面部署,對太陽/LED照明組合系統(tǒng)的需求都具有多樣性、接受度高及全球化的特點。唯一不同之處僅在于最終應用的需求規(guī)模(閱讀與一般照明的要求截然不同)。

所有此類系統(tǒng)的核心組件均包括:i) 太陽能電池;ii) 電池;iii) LED.如果采用更廣義的描述,這些組件分別為:太陽能采集器(太陽能電池)、儲能裝置(電池)以及耗能裝置(LED)。雖然這并不十分準確,但有助于突出分析的靈活性。圖1a給出了最基本的系統(tǒng)配置。

圖1:兩種系統(tǒng)配置

不過,為使這種方案生效,每個組件的特性必須彼此兼容。對于本例而言,這意味著太陽能電池的輸出電壓/電流特性必須與電池的充電曲線匹配,電池的放電曲線必須滿足LED的驅(qū)動要求。我們很快發(fā)現(xiàn),圖1(a)中的配置不能滿足上述要求。

組件概述

回顧一下每個組件的性能特性,如圖2(a到d)所示的伏安特性,我們發(fā)現(xiàn),盡管可以在有限的配置集中使這些組件的特性相互接近,但幾乎無法保證能達到合理的性能水平。我們很快發(fā)現(xiàn),太陽能電池的電壓(單片電池)最高為1V左右,而NiMH電池的工作電壓介于0.9V與1.4V之間,而且雖然LED的正向電壓通常高于3V,但需要恒流源。此外,NiMH電池為延長使用壽命,還有一些特殊的充電要求。

雖然可以開發(fā)相應系統(tǒng)直接連接所有組件,但應清楚,這種配置存在很大的局限性,并且會對系統(tǒng)整體效率與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖2:組件伏安特性以及驅(qū)動要求要打破這些限制,我們可以看一下圖1(b)所示的備選系統(tǒng)圖。此系統(tǒng)配置在三大核心組件之間分別添加了電力電子接口,可大幅提高系統(tǒng)的靈活性,并且可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。在此配置中,單片機并非必不可少??梢圆捎锚毩⒌碾姵爻潆娖骷呻娐?IC)來滿足NiMH充電曲線的要求,與此類似,可以采用LED驅(qū)動器IC將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒流源。

但這種配置至少存在以下兩方面缺點。第一,靈活性受到限制。所選器件的工作范圍很可能比較窄,這會限制它們響應系統(tǒng)變化或客戶需求的能力。例如,如果太陽能電池的配置發(fā)生變化,就需要更換電池充電IC.如果儲能技術(shù)或配置發(fā)生變化,就很可能需要同時更換電池充電IC和LED驅(qū)動器IC.最后,如果LED的類型或配置發(fā)生變化,就需要重新配置LED驅(qū)動器IC.考慮到這些技術(shù)的革新速度,唯有靈活性達到標準才能更快地響應不斷變化的需求。單片機的使用將能增強系統(tǒng)以致整個解決方案的靈活性。此時,如果硬件變化大,將并不需要重新進行大量的設(shè)計與驗證工作,因為大部分的變化都能夠在單片機內(nèi)部實現(xiàn)。

第二個缺點體現(xiàn)在系統(tǒng)優(yōu)化組件方面。通用的電池充電IC雖然很容易獲得,但卻很難找到包含最大峰值功率跟蹤(MPPT)算法的電池充電IC,以最大程度輸出太陽能電池的電量。離散型解決方案難以跟上技術(shù)革新的步伐。

建議的實現(xiàn)方案

要突破定制解決方案的限制,可以在系統(tǒng)中引入單片機,這樣設(shè)計人員不僅能夠充分利用各核心組件的增強性能,還可重復使用基本架構(gòu)。圖3給出了建議的實現(xiàn)方案。

圖3:基于MCU的建議架構(gòu)

圖3所示的實現(xiàn)方案有三大優(yōu)勢。第一,可方便快速地對系統(tǒng)的各個方面進行優(yōu)化。此解決方案包括以下四個主要系統(tǒng):LED、電池、太陽能電池和電力電子器件。如上文所述,應對電池充電曲線加以控制,以提高電池的充電效率并延長其使用壽命。而整體充電效率還與太陽能電池的效率有關(guān)。將MPPT曲線整合到能量轉(zhuǎn)換算法中可以提高太陽能à電能轉(zhuǎn)換的總效率,在實現(xiàn)充電目標的同時,最終還能減小太陽能電池組的尺寸。

這會影響產(chǎn)品外形,設(shè)計人員因此有機會增強產(chǎn)品的視覺沖擊力。同樣,目標應用可能將燈光的質(zhì)量確定為關(guān)鍵特性,如同用于閱讀的應用那樣。燈光質(zhì)量取決于電流波形,這或許是對LED驅(qū)動電流有嚴格的容差要求,或許是要求包括調(diào)光功能。采用建議的實現(xiàn)方案,設(shè)計工程師可對組件效率以致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及使用壽命的方方面面進行優(yōu)化。

第二,該架構(gòu)完全可擴展并可支持較寬的功率范圍。用于閱讀照明的便攜式小巧臺燈可以有一個太陽能電池、現(xiàn)成的NiMH充電電池以及幾個驅(qū)動電流為20-75 mA的LED.該設(shè)計僅需更換一些功率傳輸組件(包括現(xiàn)成的功率MOSFET和變壓器),便可快速調(diào)整功率額定值,從而滿足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如,可增加太陽能電池的數(shù)量,用定制的電池組替代現(xiàn)成的NiMH電池,使用驅(qū)動電流為350 mA以上的高光強大電流LED.

第三大優(yōu)勢是平臺的靈活性,設(shè)計人員可根據(jù)核心技術(shù)、用戶需求或用戶行為的變化快速進行調(diào)整。例如,可快速采用升級的太陽能電池或具有特殊驅(qū)動要求的新LED,從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶在使用這些產(chǎn)品過程中提出的反饋,還可能催生其他非核心功能的需求,例如通信(如串口轉(zhuǎn)無線接口等)以及預測性診斷功能。因此,該解決方案不僅能夠根據(jù)變化條件進行調(diào)整以及優(yōu)化性能,還能夠告知用戶自身的相對健康狀況并預測何時需要維護。

結(jié)論

如同大多數(shù)新興技術(shù)那樣,我們并不總是能確定其發(fā)展方向。但兩種新興技術(shù)(如PV太陽能電池和LED)一旦融合基于單片機的功率轉(zhuǎn)換器方案的靈活性,就必定能快速實現(xiàn)應用改善,滿足客戶的需求。



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