太阳能系统中的高效前端接口设计方案

太阳能系统中的高效前端接口设计方案

为了最大程度挖掘太阳能的潜力，前端接口（位于电池和能源开采电路间）必须考虑到这些电池的特性; 通过不同的算法和各种硬件/软件，即可实现挖掘太阳能的最大潜能。

太阳能看似是免费的、无限再生的能源，实际上，要想将太阳中的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，精密的电池充电/放电管理。太阳能应用广泛，主要可分为三大类：

• 为住宅或远程安装备份、补充能源。（可运输，功率在百瓦至千瓦之间，输出交流、线电压）

• 作为电网的一部分，固定在适当位置，功率达到成千上万千瓦，输出交流电上千伏。

事实上，我们必须了解从太阳中到底能提取多少功率。太阳辐射到达地球大气上层平均约为1千瓦/平方米，或0.1瓦/平方厘米。

即使在晴天，只有一小部分辐射能到达地面，由于大气吸收，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10毫瓦/平方厘米。排除获取，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，而且还不包括黑暗、多云、季节性辐射和经纬度等因素的影响。

由此可看，尤其是在中波收集器技术（MW-range harvesting applications） 中（不必担心I2R的损耗），经太阳能供电系统造成的任何微小损失，都是至关重要的。这种优化最具挑战性的是在前端，那里太阳能电池的功率输出必须被提取并采集。这是因为任何损失或低效率在这之后都不能弥补，撞击太阳能也将永远丢失。

1、效率始于电源插座

根据一组给定的工作条件，有一个独特的“工作点”称为最大功率点（MPP），电池提供最大功率（V×I）的输出。为提取功率，连接电路的电阻 - 必须与电池的电阻的特性相匹配。

然而，太阳能电池的操作条件是不恒定的，并且由于照明的变化、电池的温度、电池的年龄和其它因素的变化而反复移位。其结果是，为获得最大效率，太阳能系统必须动态改变电池上的负载，称为最大功率点追踪（以下简称MPPT）。MPPT反应负载线、最大功率线和电流电压之间的关系、负载线、最大功率线和功率电压之间的关系（图2a和图2b）。

表格 1 电阻负载和光伏电源；电流电压曲线

表格 2电阻负载和光伏电源；电流电压曲线

图2a：表a和表b的光伏阵列很复杂。负载线（红线）和最大功率线（蓝线）的交点是效率最高的。（纽卡斯尔大学，电力电子驱动器和机械研究组）

2、MPPT的选择

图3：意法半导体的SPV1020是一个直流 /直流DC / DC升压转换器（嵌入MPPT算法），其基本操作中不需要处理器管理。

图4：对于一个完全可编程解决方案，德州仪器TMDSHVMTRPFCKIT是个高电压，拥有现有MPPT算法的隔离太阳能开发工具包，是个基于Piccolo F28035 处理器的设备;它可在500瓦范围内供应。

对于电子电路来说，从小型物联网到大型备份，甚至主电源，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。无论设计师选择专用前端集成电路或完全可编程集成电路，处理器的设计都必须考虑以下几个因素：太阳能电池阵列的尺寸，物理布局，所需模块化和成本。

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