兼顾效率与成本的太阳能系统的设计

　　升降压电池充电器内建MPPT　太阳能系统兼顾效率与成本

　　太阳能是绿色能源，而且是免费的，但是可能常常不太可靠。温度变化会导致太阳能电池板的最佳功率提供点偏移，此外，设备老化、局部光照被遮挡、日落、被动物粪便污染等，都可能妨碍太阳能电池板的性能。基于这些可靠性和可变性问题，几乎所有太阳能供电设备都采用可再充电电池，以提供备分电源；过去一度仅使用铅酸电池，现在所用电池种类已经扩大到包括锂电池了。

　　太阳能供电应用之所以配备再充电系统，是为了尽可能汲取更多的太阳能，以迅速为电池充电并保持电池的电荷状态。此外，当太阳能电池板得到的光照很少或没有光照时，电池漏电大小就至关重要，无论何时只要可能，就应该减到最少。

　　显然，太阳能供电应用正处于成长阶段。现在有各种不同尺寸的太阳能电池板可为各种各样的创新应用供电，例如人行横道标志灯、垃圾压实机、海上浮标灯等；有些太阳能供电应用采用的电池是深度循环类电池，能承受很多个反复充电周期以及深度放电，这类电池常见于"离网"(即与电力公司电网断开)可再生能源系统，例如太阳能或风能发电系统。就离网系统而言，系统运行时间非常重要，因为这类系统并不易靠近。

　　太阳能电池板基础知识

　　就一定量的光能和工作条件而言，太阳能电池板在某一特定输出电压上产生峰值输出功率。图1所示为由七十二节电池组成的太阳能电池板，在电池板温度为60°C时的特性。虚线代表电池板的I-V曲线，X轴表示电池板电压。实线表示当电池板电压从0V变化到电池板开路电压时电池板产生的输出功率；电池电压变化是用简单的负载箱实现的。

图1　在不存在局部光照被遮挡的情况下，给定太阳能电池板的简单功率曲线。

　　就此处所述这一特定情况而言，最大功率点在32V，该电池板可提供140W功率。如果允许电池板温度变化，在真实情况中这当然是允许的，那么最大功率点可能在大热天的28V到寒冷冬天的44V之间变化。

　　很多较简单的太阳能充电系统会将电池板电压工作点设定为固定值；在上述特定电池板情况下，这类较简单的系统会将电池板工作点设定到32V，以在给定温度时汲取最大功率，而这个例子的温度为60°C。不过，当电池板温度变化时，会浪费大量功率，因为电池板不在真正的最大功率点上工作了。在这类情况下，可能会浪费20-30%以上的可用功率。

　　使情况变得更糟的是，按照已实行的安全标准，大多数电池板必须在太阳能电池数组中装上旁路二极管；这么做的原因，是当部分电池板被遮住而得不到太阳光照射，而其他部分得到充足阳光照射时，太阳能电池板会有一些特殊情况发生。

　　这时，被遮住的太阳能电池是反向偏置的，但其中仍然有很大的电流流过，因为其他得到充足光照的电池正在提供电流，被遮住的电池温度可能上升，这有可能造成火灾。为了帮助降低火灾风险，制造商在电池板各处都放置了旁路二极管。图2显示在上述七十二节电池的太阳能电池板上，旁路二极管是怎样放置的。

图2　出于安全考虑，七十二节电池的太阳能电池板上放置了三个旁路二极管。

　　由于电池板中存在旁路二极管，当部分电池板被遮挡时，就可能出现复杂的功率电压特性。图3显示了这种情况，其中出现了两个局部最大功率点，一个在21V电压处，另一个在37V电压处。如果采用前述简单的32V功率点设定方法，那么可获得79.4W功率，而不是在真正最大功率点21V上可获得的90.1W；这表明在这种情况下损失了13.5%的功率。显然可跟踪真正最大功率点并在其上工作的系统会有卓越功率表现。

图3　当太阳能电池板被部分遮挡时，会产生较复杂的功率曲线。

　　太阳能供电可再充电电池系统设计挑战

　　太阳能电池板的典型效率约在5-15%之间。考虑到较大型(即更强大)的电池板成本更高，所以太阳能供电设计必须最大限度提高效率，以最大限度降低系统总体成本。

　　太阳能供电产品要有效收集太阳能，其设计必须能够管理变化范围很宽的输入，同时还能够使太阳能电池板在最大功率点或其附近工作。并且，该设计必须能够为该产品选择安全的化学组成电池充电。

　　在太阳能充电系统中，还会遇到其他设计问题吗？就任意给定太阳能供电系统而言，固件开发和调试可能需要大量时间，如果太阳能电池板的最佳功率提供点可以低于、等于或高于电池电压(这是非常常见的情况)，那么会需要更加复杂的升降压拓扑。

　　升降压拓扑允许真正的双向隔离(相较于降压型拓扑，如果电池板没得到光照，那么它可能透过NMOS的体二极管和电感器耗尽电池电量)。为保护电池，须要恰当的电压终止。最后，既然电池板不是可靠的电源，那么就需要电池原地充电(充电器给电池馈电，且负载连接到电池)，在这种情况下，电池既是电源，又做为缓冲器使用。

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