引言
太陽能看似是“免費(fèi)”的可再生能源，但實(shí)際上，要想將撞擊電子轉(zhuǎn)變成可利用的資源，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方案、先進(jìn)的電子設(shè)備以及精密的電池充電/放電管理系統(tǒng)。太陽能應(yīng)用十分廣泛，主要分為以下三大場景：
• 數(shù)據(jù)記錄和物聯(lián)網(wǎng)的能量采集系統(tǒng)，功率在毫瓦范圍內(nèi)，輸出為低壓直流；
• 作為家庭或遠(yuǎn)程裝置的主電源、備用電源或補(bǔ)充電源，通�？蛇M(jìn)行電力傳輸，功率在百瓦至千瓦之間，輸出為交流線電壓；
• 作為電網(wǎng)一部分的發(fā)電系統(tǒng)，固定在適當(dāng)位置，功率達(dá)到幾十萬千瓦，輸出為數(shù)千伏交流電。
盡管能量采集應(yīng)用可能會(huì)忽略顯示器等很多面向用戶的模塊，但帶有無線鏈路的太陽能裝置仍需要大量的附加功能，如圖1所示。從大的方面來看，電力子系統(tǒng)可能只是一個(gè)很小的設(shè)計(jì)，但實(shí)際上并非如此。它擁有以下功能和模塊：與太陽能電池連接并從中捕獲能量的前端；將能量引導(dǎo)至存儲(chǔ)單元（電池或超級(jí)電容器）的電源管理功能，以及控制從存儲(chǔ)單元提取能量的電力負(fù)荷管理模塊。系統(tǒng)先捕獲可用的能量（焦耳），然后以功率（瓦特）的形式將其釋放出來，以滿足負(fù)載需求。[功率是運(yùn)行負(fù)載所需的能量利用率；但以能量（即功率對(duì)時(shí)間的積分）的形式被捕獲。]
圖1：對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來說，一個(gè)完整的太陽能供電系統(tǒng)由許多功能塊組成; 但用作備份或備用電源時(shí)，不需要功能塊（如傳感器和射頻鏈路）(圖源：貿(mào)澤)
事實(shí)上，我們需要了解能從太陽中提取多少能量。到達(dá)地球大氣層頂部的平均太陽輻射量約為1kW/m2或0.1W/cm2。
即使在晴天，也只有一小部分輻射能夠穿越大氣層到達(dá)地面，而太陽能電池的效率只有15-20％，因此樂觀的估計(jì)，太陽能電池釋放出的可利用能量約為10mW/cm2。再加上捕獲、存儲(chǔ)和輸出轉(zhuǎn)換的損失，太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當(dāng)?shù)�，這還不包括夜晚、多云、季節(jié)性輻射和經(jīng)緯度等因素的影響。
由此看出，尤其是在mW采集應(yīng)用（不必?fù)?dān)心I2R損耗）中，非常有必要將整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的損耗降至最低。這種優(yōu)化對(duì)于前端的挑戰(zhàn)尤為突出，太陽能電池的功率輸出必須在這里被提取并采集。這是因?yàn)槿魏螕p失或低效率在這之后都無法彌補(bǔ)，撞擊的太陽能也將永遠(yuǎn)消失。
通過功率點(diǎn)追蹤來提升效率
大多數(shù)傳統(tǒng)能源（電源）作為具有固定參數(shù)（如內(nèi)阻）的電流或電壓源表現(xiàn)相對(duì)較好，而太陽能電池則具有不尋常的特性，需了解這些特性，以便盡可能多地捕捉其輸出。設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是從太陽能電池獲得最大功率，而不管輸出電壓和電流，因?yàn)檫@兩個(gè)量都會(huì)隨著工作條件的變化而變化。
在一組給定的工作條件下，會(huì)有一個(gè)稱為最大功率點(diǎn) (MPP) 的獨(dú)特“工作點(diǎn)”，此時(shí)電池輸出功率（即V × I）最大。要提取功率，電池負(fù)載（即連接電路的電阻）必須與電池的特征電阻相匹配。
這種匹配情況類似于需要將任何電源與負(fù)載匹配以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，例如功率放大器的輸出阻抗與負(fù)載天線之間，或天線與射頻前端之間。在大多數(shù)情況下，源阻抗和負(fù)載阻抗參數(shù)是相對(duì)恒定的，因此可以看作是一個(gè)固定電路（在某些應(yīng)用中，特別是高性能射頻應(yīng)用中，需要考慮到因自熱和環(huán)境條件，某些參數(shù)會(huì)隨溫度而變化）。
然而，太陽能電池的工作條件從來都不是恒定的，并且由于照明、電池溫度、電池壽命和其他因素的變化而反復(fù)變化。因此，太陽能系統(tǒng)必須動(dòng)態(tài)改變電池負(fù)載以獲得最大效率，這種技術(shù)稱為最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT)。有效的MPPT可以通過帶有電阻負(fù)載線和最大功率線的電流-電壓以及功率-電壓關(guān)系傳統(tǒng)圖表來實(shí)現(xiàn)，如圖2a和圖2b所示。
圖2：a)和b)分別顯示了復(fù)雜的光伏陣列電流-電壓以及功率-電壓曲線；負(fù)載線和最大功率點(diǎn)是找到最高效率的關(guān)鍵（來自紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)電力電子、驅(qū)動(dòng)和機(jī)器研究小組）
MPPT可以通過幾種方法實(shí)現(xiàn)：對(duì)于“擾動(dòng)觀察”法來說，前端電路的阻抗來源于“擾動(dòng)”，因此需要監(jiān)測輸出；如果功率增加，繼續(xù)依相同方向調(diào)整電壓，一直到功率不再增加為止。這是許多優(yōu)化方案尋找最大值/最小值的標(biāo)準(zhǔn)方法。其他方法包括通過使用掃描電流或電壓驅(qū)動(dòng)來確定電池的內(nèi)部參數(shù)，從而操縱電池的跨導(dǎo)。每種方法都有利弊，例如在尋求MPP時(shí)可能出現(xiàn)過度振蕩或“擺動(dòng)”，或在試圖對(duì)MPP中相對(duì)快速的變化作出反應(yīng)時(shí)出現(xiàn)次優(yōu)性能。
MPPT實(shí)現(xiàn)方法
無論選擇何種MPPT算法，都可以通過專用IC以硬件的形式實(shí)現(xiàn)，或作為系統(tǒng)微控制器編程的一部分以固件（軟件）的形式實(shí)現(xiàn)。雖然后一種選擇提供了極大的靈活性和微調(diào)甚至更改MPPT算法的能力，但也可能會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，因此與固定功能IC相比，需要更高速、更耗電的處理器。與幾乎所有的工程決策一樣，在選擇MPPT算法時(shí)也需要進(jìn)行權(quán)衡，還要考慮到主要成本或功率增量的閾值。
對(duì)于小型采集系統(tǒng)，通過專用IC實(shí)現(xiàn)單個(gè)MPPT通常具有較高的成本效益和效率；對(duì)于分布在較大區(qū)域（甚至是只有幾平方米）的多單元陣列，可能需要為每個(gè)單元分區(qū)提供單獨(dú)的MPPT，因?yàn)槊總�(gè)單元和分區(qū)可能具有不同的特性。所以要根據(jù)太陽能陣列的大小、功率等級(jí)和所需的靈活性（或者根本不需要考慮），來選擇是使用具有專用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子系統(tǒng)IC，還是基于固件的MPPT處理器。
此外，還可借助完全可編程的控制器來進(jìn)一步提升復(fù)雜性和靈活性，如來自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高壓隔離太陽能MPPT開發(fā)套件。這套完整的評(píng)估板（圖4）用于輸入為200-300VDC且功率高達(dá)500W的大功率系統(tǒng)。它采用C2000系列中的Piccolo F28035處理器，并具有用于最大功率點(diǎn)追蹤的兩相交錯(cuò)升壓級(jí)和半橋諧振LLC隔離級(jí)，這兩個(gè)級(jí)別可通過單個(gè)MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。設(shè)計(jì)人員可以通過增量電導(dǎo)法或擾動(dòng)觀察法來選擇MPPT，進(jìn)而在應(yīng)用中測試這兩個(gè)方法及有效性。
圖3：作為完全可編程的解決方案，Texas Instruments TMDSHVMPPTKIT是擁有MPPT算法的高壓隔離太陽能開發(fā)套件，采用Piccolo F28035處理器，并可提供500W的功率
此套件內(nèi)置USB JTAG仿真功能，因此無需外部硬件，同時(shí)還包括可快速上手的圖形用戶界面。所有硬件和軟件均提供完整的文檔記錄，并開放源碼供設(shè)計(jì)使用。該評(píng)估板彌補(bǔ)了TI TMSHV1PHINVKIT的不足; 它們的結(jié)合形成了一個(gè)完整的DC-AC太陽能供電逆變器系統(tǒng)。
中等規(guī)模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。該IC是一系列增強(qiáng)型核心器件之一，具有NCO（數(shù)控振蕩器）、CWG（互補(bǔ)波形發(fā)生器）或CLC（可配置邏輯單元）等外圍設(shè)備。Microchip在其應(yīng)用筆記中提供了詳細(xì)信息，包括MPPT流程圖和相關(guān)代碼模塊[參考文獻(xiàn)1 (AN1467)和2 (AN1521)]；兩者都可以與PIC設(shè)備一起使用，而流程圖可以單獨(dú)用作任何處理器編程工作的指南。
對(duì)于電子電路來說，從小型物聯(lián)網(wǎng)到大型備份、甚至是主電源，太陽能由于其免費(fèi)、永不耗竭的優(yōu)勢(shì)，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(shè)計(jì)都必須注重其前端效率（如MPPT問題），從而使這種方法在經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行。當(dāng)然，無論設(shè)計(jì)師選擇專用前端IC還是完全可編程、基于處理器的設(shè)計(jì)，都取決于太陽能電池陣列的大小、物理布局、所需的模塊化程度和成本。 |
