用光伏电池可产生多少功率取决于多种因素。电池的输出功率与投射到电池上的光强度、电池的总面积以及电池的效率成正比。大多数光伏电池都规定在完全直射的太阳光 (1000W/m2) 下使用,但是在大多数应用中,不可能有这么理想的条件。就依靠太阳光工作的设备来说,可从电池获得的峰值功率可能非常容易变化,由于天气、季节、烟雾、灰尘和太阳光入射角的变化,今天与明天相比有可能相差10倍。在充足的太阳光照下,晶体电池视电池特性的不同而有所不同,典型输出功率约为每平方英寸40mW。面积为几平方英寸的光伏电池足够给多个远程传感器供电以及给电池涓流充电了。
相比之下,靠室内照明光工作的设备可用能量要少得多。常见的室内照明光的强度约为充足太阳光的0.25%(室内照明光强度与太阳光强度的巨大差别难以察觉,因为人眼能适应很宽的光照强度范围)。室内应用可用的光照量低得多,因此呈现了一些设计上的挑战。即使面积为4平方英寸的大型高效率晶体电池,在典型办公室照明条件下,也仅能产生860μW功率。
选择最大功率点控制电压
图4显示了LTC3105 使用的最大功率点控制机制的模型。图3显示了光伏电池的功率曲线。请注意,当电池电压上升而离开峰值功率点时,光伏电池的功率就会从峰值点急剧下降。因此,一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制电压,因为功率曲线在高压端下降得更快。
图4 最大功率点控制机制
当选择MPPC跟踪电压时,各种不同的工作条件都必须考虑。一般情况下,最大功率点不会随着照明条件的变化而显着移动。因此,有可能做到的是,选择一个跟踪电压,以在很宽的照明强度范围内,保持靠近最大功率点工作。即使在极端照明情况下,工作点可能不是准确地位于最大功率点上,输出功率相比理性情况的降低通常也仅为5%~10%。
就图5所示功率曲线而言,0.4V的MPPC电压在两种极端照明条件下都产生接近最大功率点的性能。在这两种情况下,与最大功率点之间的电压差约为20mV,从而产生了不到3%的功率损失。
图5 当选择最大功率点电压时,选择较低的电压以避免电压陡降
作为一个经验法则,最大功率点控制电压应该约为光伏电池开路电压的75%~80%。让电池跟踪这样的电压,所产生的电池输出电流为短路电流的75%~80%。
在室外照明情况下给锂离子电池充电
使用光伏电源的应用面临的挑战之一是,在黑暗和光照量较低的情况下,输入功率不足。就大多数应用而言,这种挑战使得有必要使用能量存储组件,例如足够大的超级电容器或可再充电电池,以在最长预期黑暗时间内也能正常供电。
利用图6所示的LTC3105电路和一个2英寸×1英寸的多晶光伏电池给锂离子电池充电,所测得的充电电流曲线如图7所示。图7中上面的曲线显示,在天气晴朗、阳光充足的典型情况下的充电电流;下面的曲线则显示,在阴云密布时观察到的充电电流。即使在这类光照量很低的情况下,在整个白天也能保持250μA或更大一些的充电电流,这相当于给电池提供了总共 6mAh 的充电。
图 6 锂离子电池充电电路
图 7 两平方英寸光伏电池的充电曲线