太阳能捕获效率低？先进的前端管理系统助你破解

引言

太阳能看似是“免费”的可再生能源，但实际上，要想将撞击电子转变成可利用的资源，需要严谨的设计方案、先进的电子设备以及精密的电池充电/放电管理系统。太阳能应用十分广泛，主要分为以下三大场景：

数据记录和物联网的能量采集系统，功率在毫瓦范围内，输出为低压直流；

作为家庭或远程装置的主电源、备用电源或补充电源，通常可进行电力传输，功率在百瓦至千瓦之间，输出为交流线电压；

作为电网一部分的发电系统，固定在适当位置，功率达到几十万千瓦，输出为数千伏交流电。

尽管能量采集应用可能会忽略显示器等很多面向用户的模块，但带有无线链路的太阳能装置仍需要大量的附加功能，如图1所示。从大的方面来看，电力子系统可能只是一个很小的设计，但实际上并非如此。它拥有以下功能和模块：与太阳能电池连接并从中捕获能量的前端；将能量引导至存储单元（电池或超级电容器）的电源管理功能，以及控制从存储单元提取能量的电力负荷管理模块。系统先捕获可用的能量（焦耳），然后以功率（瓦特）的形式将其释放出来，以满足负载需求。[功率是运行负载所需的能量利用率；但以能量（即功率对时间的积分）的形式被捕获。]

图1：对于物联网来说，一个完整的太阳能供电系统由许多功能块组成; 但用作备份或备用电源时，不需要功能块（如传感器和射频链路）(图源：贸泽)

事实上，我们需要了解能从太阳中提取多少能量。到达地球大气层顶部的平均太阳辐射量约为1kW/m2或0.1W/cm2。

即使在晴天，也只有一小部分辐射能够穿越大气层到达地面，而太阳能电池的效率只有15-20％，因此乐观的估计，太阳能电池释放出的可利用能量约为10mW/cm2。再加上捕获、存储和输出转换的损失，太阳能电池每平方厘米释放的可利用能源相当低，这还不包括夜晚、多云、季节性辐射和经纬度等因素的影响。

由此看出，尤其是在mW采集应用（不必担心I2R损耗）中，非常有必要将整个太阳能发电系统的损耗降至最低。这种优化对于前端的挑战尤为突出，太阳能电池的功率输出必须在这里被提取并采集。这是因为任何损失或低效率在这之后都无法弥补，撞击的太阳能也将永远消失。

通过功率点追踪来提升效率

大多数传统能源（电源）作为具有固定参数（如内阻）的电流或电压源表现相对较好，而太阳能电池则具有不寻常的特性，需了解这些特性，以便尽可能多地捕捉其输出。设计者的目标是从太阳能电池获得最大功率，而不管输出电压和电流，因为这两个量都会随着工作条件的变化而变化。

在一组给定的工作条件下，会有一个称为最大功率点 (MPP) 的独特“工作点”，此时电池输出功率（即V × I）最大。要提取功率，电池负载（即连接电路的电阻）必须与电池的特征电阻相匹配。

这种匹配情况类似于需要将任何电源与负载匹配以实现最大功率传输，例如功率放大器的输出阻抗与负载天线之间，或天线与射频前端之间。在大多数情况下，源阻抗和负载阻抗参数是相对恒定的，因此可以看作是一个固定电路（在某些应用中，特别是高性能射频应用中，需要考虑到因自热和环境条件，某些参数会随温度而变化）。

然而，太阳能电池的工作条件从来都不是恒定的，并且由于照明、电池温度、电池寿命和其他因素的变化而反复变化。因此，太阳能系统必须动态改变电池负载以获得最大效率，这种技术称为最大功率点追踪 (MPPT)。有效的MPPT可以通过带有电阻负载线和最大功率线的电流-电压以及功率-电压关系传统图表来实现，如图2a和图2b所示。

图2：a)和b)分别显示了复杂的光伏阵列电流-电压以及功率-电压曲线；负载线和最大功率点是找到最高效率的关键（来自纽卡斯尔大学电力电子、驱动和机器研究小组）

MPPT可以通过几种方法实现：对于“扰动观察”法来说，前端电路的阻抗来源于“扰动”，因此需要监测输出；如果功率增加，继续依相同方向调整电压，一直到功率不再增加为止。这是许多优化方案寻找最大值/最小值的标准方法。其他方法包括通过使用扫描电流或电压驱动来确定电池的内部参数，从而操纵电池的跨导。每种方法都有利弊，例如在寻求MPP时可能出现过度振荡或“摆动”，或在试图对MPP中相对快速的变化作出反应时出现次优性能。

MPPT实现方法

无论选择何种MPPT算法，都可以通过专用IC以硬件的形式实现，或作为系统微控制器编程的一部分以固件（软件）的形式实现。虽然后一种选择提供了极大的灵活性和微调甚至更改MPPT算法的能力，但也可能会增加系统负担，因此与固定功能IC相比，需要更高速、更耗电的处理器。与几乎所有的工程决策一样，在选择MPPT算法时也需要进行权衡，还要考虑到主要成本或功率增量的阈值。

对于小型采集系统，通过专用IC实现单个MPPT通常具有较高的成本效益和效率；对于分布在较大区域（甚至是只有几平方米）的多单元阵列，可能需要为每个单元分区提供单独的MPPT，因为每个单元和分区可能具有不同的特性。所以要根据太阳能阵列的大小、功率等级和所需的灵活性（或者根本不需要考虑），来选择是使用具有专用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子系统IC，还是基于固件的MPPT处理器。

此外，还可借助完全可编程的控制器来进一步提升复杂性和灵活性，如来自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高压隔离太阳能MPPT开发套件。这套完整的评估板（图4）用于输入为200-300VDC且功率高达500W的大功率系统。它采用C2000系列中的Piccolo F28035处理器，并具有用于最大功率点追踪的两相交错升压级和半桥谐振LLC隔离级，这两个级别可通过单个MCU实现数字控制。设计人员可以通过增量电导法或扰动观察法来选择MPPT，进而在应用中测试这两个方法及有效性。

此套件内置USB JTAG仿真功能，因此无需外部硬件，同时还包括可快速上手的图形用户界面。所有硬件和软件均提供完整的文档记录，并开放源码供设计使用。该评估板弥补了TI TMSHV1PHINVKIT的不足; 它们的结合形成了一个完整的DC-AC太阳能供电逆变器系统。

中等规模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。该IC是一系列增强型核心器件之一，具有NCO（数控振荡器）、CWG（互补波形发生器）或CLC（可配置逻辑单元）等外围设备。Microchip在其应用笔记中提供了详细信息，包括MPPT流程图和相关代码模块[参考文献1 (AN1467)和2 (AN1521)]；两者都可以与PIC设备一起使用，而流程图可以单独用作任何处理器编程工作的指南。

对于电子电路来说，从小型物联网到大型备份、甚至是主电源，太阳能由于其免费、永不耗竭的优势，具有巨大的吸引力。然而，现有可供利用的太阳能只是一小部分，所以任何设计都必须注重其前端效率（如MPPT问题），从而使这种方法在经济上合理，技术上可行。当然，无论设计师选择专用前端IC还是完全可编程、基于处理器的设计，都取决于太阳能电池阵列的大小、物理布局、所需的模块化程度和成本。

审核编辑：郭婷