如何从太阳能电池板中提取有效的功率

可再生能源可能是一项昂贵的工作，光伏系统也不例外。地面和屋顶安装框架必须足够坚固以应对极端天气和条件，即使没有跟踪也可能非常昂贵。

如果您使用蓄电池，则需要花费大量的初始费用和每隔这么多年的更换成本。从积极的方面来说，铅酸电池中90％的材料是完全可回收的。充电器和逆变器也不便宜。

面板是最大的费用。幸运的是，随着更高的制造能力上线，光伏电池板的价格开始下降，但尚未达到大规模部署的水平。

2008年，1000美元/千克硅的价格保持了每瓦3至4美元的面板。将硅生产能力的增长与全球经济放缓相结合，使价格降至40美元/公斤水平，这意味着我们可能很快就会达到令人垂涎的每瓦特一美元的价位，许多人认为这将使光伏太阳能在非公平的竞争环境中 - 可再生能源技术。我们现在每瓦约1.50美元。

要达到高级别部署的水平，投资回报必须更快。太阳能电池板的低成本承诺是提高投资回报的一个因素。另一个是由于使用微型逆变器而改变了光伏系统的架构。无论哪种方式，更有效利用太阳能的电子产品市场即将爆发。

改变格局

微型逆变器正在改变可再生能源系统的格局。通过并网面板，您可以为智能电网提供能源，更轻松地成为能源生产商和用户。

对并网面板最大的吸引力在于您不再需要购买，维护和使用蓄电池组和逆变器。相反，能量直接进入电网。

在不利方面，如果您失去动力，您将无法使用电池组的备用容量来保持设备的供电，尤其是在高度动态和不一致的阳光下。

由于承诺降低水电费并降低投资成本，绿色运动可能会有牙齿。为此，需要能够从广泛的太阳能条件中提取尽可能多的可用能量的电子电路。

这意味着太阳能拓扑正在发生变化。隔离二极管不再是组合多个面板的方法（见图1A），每提取一焦的能量都可以提高性能系数。现在，每个面板或一系列面板都有自己的功率调节系统，可以尽可能高效地独立提取能量，以便将其馈送到微型逆变器（见图1B）。

图1A：仅使用保护二极管来连接多个太阳能电池板的旧的简单而有效的技术不再有效。

图1B：当每个面板或一系列面板都有自己的微型逆变器时，每个太阳能电池板都可以为智能电网提供最大的能量。

实现这一目标的唯一方法是使用开关电源电路，以便在您希望从太阳能电池板或一系列电池板看到的各种条件下高效运行。因此，这是一个两步过程。第一种是从可用的太阳能电池中提取最大量的能量，以创建能量“池”。该池用于创建并网逆变器，该逆变器改变其相角以向线路提供电力。

本文讨论了一些可用于从变化的输入电压中有效提取功率的开关稳压器器件，例如太阳能电池板。

开关打开

大多数情况下，有三种类型的太阳能电池板可供选择。这些是多晶（许多晶体连接在一起），单晶（单个级联晶体）或非晶（硅沉积在玻璃上）（见图2）。虽然这些选择的特性，效率和成本会有所不同，但它们都只是两个产生电压和电流的终端设备。

图2：多晶太阳能电池分别采用标签和接线方式。 Mono Crystalline是一种连续晶体，Amorphic太阳能电池是玻璃上的薄沉积物。

典型的单结硅太阳能电池产生约0.5至0.6伏特。电池的电压通常与其尺寸无关。此外，随着光强度的变化，电压不会发生太大变化。不同光强度的变化是电池可以产生的电流（见图3）。

图3：光伏产生的电压细胞保持不变。随着光强度增加的电流。

由于太阳能电池板由单独的面板组成，这些面板串联起来以获得更高的电压并且并联以获得更高的电流，因此可以形成任何容量电池或系统。通常，您会看到具有12伏，18伏和24伏额定输出的旧面板。电流容量也可以在100mA至20A或更低的范围内变化。这是一个很大的范围。

较新的面板现在通常为48 V或更高。这可以稍微提高效率，因为较少的线路IIR功率损耗将功率从电池移动到能量提取器。这还可以降低成本，因为将电池连接到功率调节器所需的导线可以更薄。这对于使用微型逆变器来说不那么重要，因为它们通常非常靠近太阳能电池。

由于太阳能条件不同，从黄昏和阴天到太阳直射都会改变太阳能电池板的输出电流（太阳的入射角和太阳能电池板的温度），对于能量提取器来说非常重要即使在存在非常小的太阳辐射的情况下，也能在很宽的条件下以良好的效率运行，以向电网提供可用的电力。这是开关稳压器发光的地方，因为线性和低压差稳压器会浪费太多功率。

尺寸问题

您希望处理的功率量决定了开关稳压器的可用选择。输入电压限制以及输出范围将决定感兴趣的部件。

为了帮助适应更新的高压面板，可以使用美国国家半导体的SM72485 SolarMagic™开关稳压器。它具有6至95伏的宽工作范围。它是美国国家半导体SolarMagic系列产品系列的一部分，旨在实现可再生能源收集，如光伏太阳能。

SM72485专为PV智能接线盒，太阳能电信电源和42伏新兴汽车系统而设计，包含一个内部100伏N通道降压稳压器开关晶体管。输出电压由两个外部编程电阻决定，该电阻为调节比较器提供内部2.875伏参考电压。它使用可变占空比，与输入电压成反比，处理短路保护以及热和过压。

这款SM72485非常适合从太阳能电池获取能量并创建中级能量池，可以驱动其他电路，或用于驱动小型微型逆变器。输出电压可在2.5伏或更高的电压范围内调节，独立调节器只需很少的外部元件（见图4）。

图4：SM72485只需极少的外部元件，使其成为空间受限设计的理想解决方案（Courtesy National Semiconductor）。

对于需要产生更高输出电流的12和24伏系统，凌力尔特公司的LT1270高效降压转换器是一个不错的选择。 3.5至30伏的输入范围并不适合36伏和48伏电压板，但小于8安培的容量对于单芯片高效率转换器来说并不错。还存在十安培‘A’版本。

LT1270采用电流模式切换技术，开关频率为60 KHz。它可以采用降压，升压或反激配置，高电流开关集成在可散热的TO-220-5引脚封装中。这使它易于使用。

凌力尔特LT3957是另一个填补能量池的好方法。 LT3957具有3至40伏的稍高输入电压范围，在更高的输出电流下可实现95％的效率额定值（见图5）。

图5：LT3957在更高的输出电流下保持高效率（Courtesy Linear Technology）。

可以通过100 KHz至1 MHz的外部电阻设置开关频率。 LT3957还具有同步引脚，可以帮助将此部分与外部时钟同步。内部N沟道功率MOSFET可在5安培下处理高达40伏的电压，为驱动微型逆变器，设备或充电器提供大量潜在电力。

STMicroelectronics L4970A是另一种可以制造出良好能量提取器的高电流部件。该10安培输出容量器件使用0％至90％的开关占空比产生高达40伏的输出。 L4970A具有输入和输出同步引脚，采用内部隔离DMOS功率晶体管，与CMOS和双极晶体管混合，可提供最佳性能。

查看Digi-Key网站上的数据表，找到一个测试和评估参考设计，在10安培输出时只有30 mV的纹波，同时保持83％的整体效率。当结温升至150摄氏度以上时，热保护会禁用电路，并且滞后功能可防止可能发生的不稳定的开/关振荡。

寻找最佳位置

当从太阳能电池板汲取过多电流时，输出电压会急剧下降（见图6）。可以提取最大功率的点称为最大功率点。虽然太阳能电池板可以固定而不跟踪太阳，但最大功率点跟踪（MPPT）控制器用于从太阳能电池中获取最大功率。

图6：最大功率点是所吸取的电流使电压几乎保持在峰值水平的位置。任何更多和输出直线下降。

这项相对较新的技术使用算法方法来感知最大功率提取点，并控制充电控制器将电力输送到电池，或者创建可供电池使用的能量池。微逆变器。

MPPT不仅仅是一台状态机，通常作为基于微控制器的专用系统实现。恩智浦半导体推出MPT612 MPPT IC。这是一款基于ARM®的处理器，根据恩智浦的设计，可以从太阳能电池板中提取高达98％的能量。

MPT612使用专利算法，该算法在内部ARM7TDMI-STM RISC处理器上实现。它以70 MHz的频率运行，控制调节器的外部开关，用作电池充电器或微型逆变器。该设备也支持燃料电池应用。

32位流水线处理单元具有32 KB的片上闪存，用于固件和8 KB的静态RAM。处理器使用标准的16位Thumb约定来减少代码和内存要求。

MPT612使用1.8伏内核消耗100 mA，具有5 V容差的3.3 V I/O.该芯片只能与MPT612软件堆栈和API一起使用。该公司还提供基于上下文的参考手册，以帮助部署和了解其使用和操作。

美国国家半导体有一个名为SM72442MT的MPPT设备。据美国国家半导体公司称，这是另一款SolarMagic级设备，其效率达到99.5％。它使用National自己的专有算法Panel Panel，它输出四个PWM栅极驱动信号，形成一个四开关降压 - 升压转换器。 8通道12位A/D转换器对电压和电流进行采样，以提供1/100秒的快速收敛时间，即使在不断变化的太阳能条件下，控制器也能保持高效率。

STMicroelectronics SPV1020还实现了MPPT。 SPV1020将公司的Perturb和Observe MPPT算法与控制器与DC-DC升压转换器相结合，在零至45伏的工作电压范围内也可实现98％的效率。

一个很好的特性是集成的SPV1020在片内集成了一个功率MOSFET，用于有源同步整流。这减少了固定频率（100 KHz）PWM的外部元件数量，并将占空比从5％增加到90％，增量为0.2％。与其他组件一样，内置过温和过压停机。 SPI总线用于允许SPV1020与充当主设备的主机控制器通信。

STMicroelectronics提供称为STEVAL-ISV005V1的评估板，可用作300瓦面板的演示板。它实现了三个SPV1020，效率高达98％，是学习用于优化逆变器功率的四相交错技术的有效工具。

我们正处于光伏太阳能正在达到大众吸引力的转折点。随着税收优惠和折扣仍然可用，太阳能有望进入我们所有人希望的可再生能源领域。