太陽能光伏電能的完整單芯片解決方案
為了簡化儀器、監(jiān)視和控制應(yīng)用的無線通信所需的配電系統(tǒng),電源設(shè)計師努力尋找不依賴電網(wǎng)的器件。電池顯然是不依賴電網(wǎng)的解決方案,但是電池需要更換或再充電,這意味著最終還是要連接到電網(wǎng)上,而且需要昂貴的人工干預(yù)和維護(hù)。我們提出用能量收集的方法,使用這種方法時,能量是從緊挨著儀器的環(huán)境中收集的,無需連接到電網(wǎng)就可以使儀器永久運(yùn)行,而且最大限度地削減或消除了維護(hù)需求。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/227051.htm可以收集各種環(huán)境能源以產(chǎn)生電能,包括機(jī)械振動、溫度差和入射光。其中,光伏能量收集有廣泛的適用范圍,因?yàn)楣鈳缀醯教幎加校夥?PV)電池價格相對較低,而且與其他環(huán)境能量收集解決方案相比,能產(chǎn)生相對較高的功率。因?yàn)楣夥芰渴占椒ㄌ峁┫鄬^高的能量輸出,所以可用來給無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電,還可用來給較高功率的電池充電應(yīng)用供電,以延長電池壽命,從而在某些情況下完全無需有線充電。
串聯(lián)連接的高壓光伏電池組能提供充足的功率,但單節(jié)光伏電池解決方案卻很少見,因?yàn)閱喂?jié)光伏電池在有負(fù)載情況下產(chǎn)生的電壓很低,從這么低的電壓難以產(chǎn)生有用的電源軌。幾乎沒有升壓型轉(zhuǎn)換器能從電壓很低、阻抗相對較高的單節(jié)光伏電池產(chǎn)生輸出。不過,LTC3105是專門為應(yīng)對這類挑戰(zhàn)而設(shè)計。該器件具有超低的250mV啟動電壓和可編程最大功率點(diǎn)控制,能從富有挑戰(zhàn)性的光伏電源產(chǎn)生大多數(shù)應(yīng)用所需的典型電壓軌(1.8~5V)。
了解光伏電池電源
可以用一個電流源與一個二極管并聯(lián)來建立光伏電源的電模型,如圖1所示。更復(fù)雜的模型可顯示一些次要影響,但是就我們的目的而言,這個模型足夠充分了。
反映光伏電池特性的兩個常見參數(shù)是開路電壓和短路電流。光伏電池的典型電流和電壓曲線如圖2所示。請注意,短路電流是該模型電流發(fā)生器的輸出,而開路電壓是該模型二極管的正向電壓。隨著光照射量的增加,該發(fā)生器產(chǎn)生的電流也增加,同時 IV 曲線向上移動。
為了從光伏電池抽取最大功率,電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須與電池的輸出阻抗匹配,從而使系統(tǒng)能在最大功率點(diǎn)上工作。圖3顯示了一個典型的單節(jié)光伏電池的功率曲線。為了確保抽取最大功率,光伏電池的輸出電壓應(yīng)該與功率曲線的峰值點(diǎn)相對應(yīng)。LTC3105 調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的輸出電流,以保持光伏電池的電壓等于最大功率點(diǎn)控制引腳設(shè)定的電壓。因此可用單個電阻器設(shè)定最大功率點(diǎn),并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。
可提供多少功率?
用光伏電池可產(chǎn)生多少功率取決于多種因素。電池的輸出功率與投射到電池上的光強(qiáng)度、電池的總面積以及電池的效率成正比。大多數(shù)光伏電池都規(guī)定在完全直射的太陽光 (1000W/m2) 下使用,但是在大多數(shù)應(yīng)用中,不可能有這么理想的條件。就依靠太陽光工作的設(shè)備來說,可從電池獲得的峰值功率可能非常容易變化,由于天氣、季節(jié)、煙霧、灰塵和太陽光入射角的變化,今天與明天相比有可能相差10倍。在充足的太陽光照下,晶體電池視電池特性的不同而有所不同,典型輸出功率約為每平方英寸 40mW。面積為幾平方英寸的光伏電池足夠給多個遠(yuǎn)程傳感器供電以及給電池涓流充電了。
相比之下,靠室內(nèi)照明光工作的設(shè)備可用能量要少得多。常見的室內(nèi)照明光的強(qiáng)度約為充足太陽光的0.25%(室內(nèi)照明光強(qiáng)度與太陽光強(qiáng)度的巨大差別難以察覺,因?yàn)槿搜勰苓m應(yīng)很寬的光照強(qiáng)度范圍)。室內(nèi)應(yīng)用可用的光照量低得多,因此呈現(xiàn)了一些設(shè)計上的挑戰(zhàn)。即使面積為4平方英寸的大型高效率晶體電池,在典型辦公室照明條件下,也僅能產(chǎn)生860μW功率。
選擇最大功率點(diǎn)控制電壓
圖4顯示了LTC3105 使用的最大功率點(diǎn)控制機(jī)制的模型。圖3顯示了光伏電池的功率曲線。請注意,當(dāng)電池電壓上升而離開峰值功率點(diǎn)時,光伏電池的功率就會從峰值點(diǎn)急劇下降。因此,一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制電壓,因?yàn)楣β是€在高壓端下降得更快。
當(dāng)選擇MPPC跟蹤電壓時,各種不同的工作條件都必須考慮。一般情況下,最大功率點(diǎn)不會隨著照明條件的變化而顯著移動。因此,有可能做到的是,選擇一個跟蹤電壓,以在很寬的照明強(qiáng)度范圍內(nèi),保持靠近最大功率點(diǎn)工作。即使在極端照明情況下,工作點(diǎn)可能不是準(zhǔn)確地位于最大功率點(diǎn)上,輸出功率相比理性情況的降低通常也僅為5%~10%。就圖5所示功率曲線而言,0.4V的MPPC電壓在兩種極端照明條件下都產(chǎn)生接近最大功率點(diǎn)的性能。在這兩種情況下,與最大功率點(diǎn)之間的電壓差約為20mV,從而產(chǎn)生了不到3%的功率損失。
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