如何從單節(jié)光伏電池收集能量詳解

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。電池顯然是立即能想到的解決方案，讓人們產(chǎn)生了能不依賴電網(wǎng)的幻想，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。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行，而且最大限度地減少或消除了維護需求。

可以收集各種環(huán)境能源以產(chǎn)生電能，包括機械振動、溫度差和入射光。其中，光伏能量收集有廣泛的適用范圍，因為光幾乎到處都有，光伏(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。因為光伏能量收集方法提供相對較高的能量輸出，所以可用來給無線傳感器節(jié)點供電，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，因為單節(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。

圖1 簡單的光伏電池模型

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。

圖2 典型的光伏電池I-V曲線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，并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。

圖3 典型光伏電池的功率曲線可提供多少功率?

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)照明光的強度約為充足太陽光的0.25%(室內(nèi)照明光強度與太陽光強度的巨大差別難以察覺，因為人眼能適應(yīng)很寬的光照強度范圍)。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。

選擇最大功率點控制電壓

圖4顯示了LTC3105 使用的最大功率點控制機制的模型。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時，光伏電池的功率就會從峰值點急劇下降。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，因為功率曲線在高壓端下降得更快。

圖4 最大功率點控制機制當(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，以在很寬的照明強度范圍內(nèi)，保持靠近最大功率點工作。即使