使用高效率電源調(diào)節(jié)可以減少整體系統(tǒng)成本,，旨在從PV模塊提取最大限度的能量（使用最大功率點追蹤技術(shù)--MPPT）。現(xiàn)有的面板系統(tǒng)也存在缺點,，一整天只能導向一個方向,，不能總是直接面對太陽光。

　　在這篇文章中,，我們將討論的技術(shù)是,，如何在系統(tǒng)級提高太陽能面板效率，包括太陽能電池板最大受光定位,，最大限度地從太陽能板提取現(xiàn)有電力,，以及智能電池壽命管理。

　　框圖

圖1.框圖

　　我們從框圖中可以看到,，該系統(tǒng)的主要部件是一個MCU或一個片上系統(tǒng)(SoC),。系統(tǒng)的全部智能都來源于這顆芯片,，它是可重構(gòu)和可升級的,。在太陽能面板中，兩個光電二極體保持與面板平面垂直,，其輸出反饋到MCU(MCU),。這些二極管和直流電機確定面板方位。根據(jù)二極管輸入,，MCU控制直流馬達使太陽能電池板定位到可以收到最大光的方向,。這兩個用于陽光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的,，這意味著通過這些二極管的反向電流隨入射光而變化。在白天,，反向電流在10uA和 75uA之間變化,。逆向暗電流(當沒有光線入射光電二極體)只有幾nA。

　　跨阻放大器(TIA)用于將反向電流轉(zhuǎn)換成等效電壓,。放大器的增益使用反饋電阻設(shè)置,。光電二極體經(jīng)常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯(lián)反饋電容,，從而保證穩(wěn)定性并提供帶寬限制減少寬帶噪聲,。TIA的輸出電壓Vout，由下列公式?jīng)Q定:

　　Vout = Vref - Iin * Rfb

　　這里Rfb是電阻反饋,，Iin是二極管電流,，Vref是連接到運算放大器正極的參考電壓。

　　輸出電壓是使用一個片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的,。由于反向電流很小(數(shù)十uA),，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓,。每一個傳感器的輸出要經(jīng)過固件IIR濾波器濾波,，清除任何光強度的突然變化。系統(tǒng)中使用一個ADC可測量到多個電壓,。兩個二極管對應的數(shù)字化值不斷地比較,。如果兩個值之間的差異在一個預定的門限內(nèi)，面板位置保持不動,。如果差超過門限,，面板朝強度高的方向傾斜，直到差進入門限范圍內(nèi),。這樣我們就可以定位面板朝最大光強度的方向,。

　　直流電機使用MCU產(chǎn)生的PWM信號來驅(qū)動。PWM占空比決定電機旋轉(zhuǎn)速度,。保持占空比較低,，這是為了有緩慢而精確的運動。隨著面板定位好自身方向接受最強光,，PWM占空比逐漸降低,。一個可行的案例是一個65535 step的16位PWM。采用這樣小的step,，就可以從黎明到黃昏都能準確地追蹤陽光,。

　　電機運動時電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來驅(qū)動電機。要有一個電機驅(qū)動芯片來增大,。驅(qū)動有H橋結(jié)構(gòu),，其允許電機電流方向的數(shù)字控制，因此電機方向也可控制,。驅(qū)動可以提供1A的電流,。還要注意，跟蹤機制是這樣的,，電機是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖,。因此，驅(qū)動電機的平均電流相當小,。

　　有兩個開關(guān)連接到MCU,。這些開關(guān)當面板旋轉(zhuǎn)到極限位置(東和西)時觸發(fā)，他們決定面板的最大旋轉(zhuǎn)限度,。在MCU上有一個輔助實時時鐘,，其保持時間跟蹤，所以一旦太陽下山,，光強明顯變?nèi)醯臅r候,，面板重新回到初始位置，面向東方,。第二天,，面板接著追蹤太陽并處理。

　　最大功率點跟蹤

　　圖2顯示了光電模塊的等效電路,。太陽能電池可以看作電流源,，其和一個二極管并聯(lián)。在沒有光時,，沒有電流產(chǎn)生,，它表現(xiàn)為一個二極管。當有光線入射到太陽能電池時,，電流產(chǎn)生,。

　　正常操作下，太陽能電池的效率會由于其內(nèi)阻損失功耗而降低,。寄生電阻由并聯(lián)分流電阻 (Rsh)和串聯(lián)電阻(Rs)構(gòu)成,。理想情況下，Rsh應該是無窮大,，因此不會有路徑讓電流分流,，Rs應該零，這樣不會在到達負載之前有電壓降,。

　　研究發(fā)現(xiàn),，串聯(lián)電阻Rs的值隨溫度升高而增大,。為了使用效果比較好,，就需要有一個較低的串聯(lián)電阻Rs,。因此，在較高的環(huán)境溫度下,，面板效率會降低,，如沙漠。而在寒冷的國家,，串聯(lián)電阻的值比較小,，效率會更高。

　　在該系統(tǒng)中,，用于充電的電池是負載RL,。它可能使太陽能面板誤認為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉(zhuǎn)移最多電荷,。這也可以能通過改變太陽能面板的運行點實現(xiàn),，解釋見下文。

圖2 PV模塊等效電路

　　PV模塊的典型V-I輸出特性見圖3,。研究表明,，溫度變化是影響PV輸出電壓變化的主要因素，而輻射主要影響PV輸出電流,。隨著照明增加,，電流增大，此特征更明顯,。負載線和PV模塊V-I曲線（指定溫度和輻照下）的交匯點決定運行點,。產(chǎn)生的最大功率基于不同大氣條件下負載線的調(diào)整。

圖3.太陽能電池的V-I特點

　　圖4說明了太陽能電池功率和電壓的對比圖,?？梢钥闯觯瑢τ诙搪冯娏?Isc,，功率圖最左面點),，和開路電壓(Voc，功率圖最右面點),，面板輸出功率都為零,。在某一個點，稱為最大功率點,，輸送到面板的功率是最大的,。MPPT算法的目標是使太陽能面板工作在這一點上，輸出最大功率,。

圖4 功率與電壓對比圖

　　面板輸出連接到DC-DC轉(zhuǎn)換器單元,，其將面板電壓轉(zhuǎn)換成一個適合電池充電的可用電壓。DC-DC單元包括由MOSFET、電感,、濾波器,。操作DC-DC轉(zhuǎn)換器必要的開關(guān)脈沖(PWM)由MCU產(chǎn)生。緊接著DC-DC單元的是一個MOSFET開關(guān),，用于通過面板改變負載,。正如之前的解釋，對于給定的溫度和日照,，面板輸出功率隨連接的負載變化而變化,，對于某個特定負載，功率傳輸最大,?？勺冐撦d也可稱為可變操作點。我們的目標是跟蹤這個變化的最大功率點,。

　　用于來跟蹤最大功率點機制的流程圖如圖5所示:

圖5 MPPT算法的流程圖

　　這個MPPT設(shè)計方法是基于PV陣列輸出電壓或電流規(guī)則的,，或者基于相應的參考電壓或電流信號，要么是常數(shù)或來自PV光伏陣列輸出特性(例如,，功率和功率變化),。該方法的一個變化是直接使用dc/dc轉(zhuǎn)換器占空比作為控制參數(shù)，強制導數(shù)dP/dD為零,，這里P是PV陣列輸出功率,，D是占空比。因此只需要一個控制環(huán)路,。

　　最常用的擾動觀察法是最MPPT算法,。在該方法中，連接MOSFET（隔開面板和電池）的PWM的占空比變化量很少,，只有幾dW,。如果這少量變化增加了。面板電壓和電流會測量到,，相應的功率變化dP也會觀察到,。如果變化是正的，那么擾動是正確的方向,，我們繼續(xù)在相同的方向擾動(例如,，增加占空比)。如果功率改變是負的,，那么就要翻轉(zhuǎn)顛倒擾亂方向(例如,，減少占空比責任周期)然后繼續(xù)工作。這種算法的主要目的是總是提升功率曲線,，以達到從太陽能電池輸出最大功率,。通過這種方式,，我們可以使太陽能電池板總是工作在提供最大功率的點上。

　　如果還沒有實現(xiàn)MPPT系統(tǒng),，連接到面板的負載總是一成不變的,，它不可能工作在最大功率點。因此,，它將不再從面板捕獲最大功率,。

　　電池健康管理：

　　因為太陽能板暴露在太陽下的時間大約為半天,，這個期間它可以用來給電池充電,。對于大多數(shù)市面上能買得到的鉛酸電池，充電需要10-12小時,，這和有陽光的時間大約是相同的,。然而，為了提高電池的使用壽命,，可以采用下面的方法,。通常，電池充電要經(jīng)歷三個階段,，如圖7所示：

　　•恒流充電或大量充電階段

　　•頂部充電階段

　　•浮充電階段

　　讓我們以一個12V鉛酸電池充電為例,。電池電平通過MCU內(nèi)置的ADC模塊連續(xù)監(jiān)測。如果電池電壓小于標稱值,，那么稱為“接受電壓Accept Voltage”的適當充電電壓應用于電池,，隨溫度而變化。應用于電池的接受電壓電壓使用PWM驅(qū)動的大功率晶體管切換,，從DC-DC電源轉(zhuǎn)換器輸出,。在這期間，充電電流不變,。在鉛酸電池情況下,，我們可以稱之為大量充電階段。一旦電池電壓達到標稱值,，電池就已經(jīng)充了70%?，F(xiàn)在還要繼續(xù)充電，直到電流降到大約電池額定電流的3%,。這可通過前面介紹的持續(xù)PWM充電方式實現(xiàn),。這個充電階段稱為頂部充電階段。當充電電流降到額定電流的3%,，電池完全充滿,。頂部充電階段用來保持電池健康。如果沒有頂部充電階段,，電池會逐漸失去完全充電的能力,。

　　充電完成后,，為了維持充電電平，電池采用PWM波形形式的合適電壓（稱為浮充電壓）,。浮充電壓通常用于自放電補償（通過鉛和其他寄生效應）,。電池的浮充電壓和接受電壓隨溫度變化而變化。MCU連續(xù)讀取溫度傳感器的輸出,，然后確定接受電壓和浮充電壓,。他們的值由MCU產(chǎn)生的PWM波形控制。

　　還要確保電池不要長時間進行頂部充電,。電池必須要有相反地浮充電,，因為電池可能無法容忍過渡充電。在片內(nèi)RTC的幫助下,，這很容易實施,。脈沖充電電池充電的優(yōu)勢是，我們避免了很多化學效應,，例如硫酸鹽化作用,，有毒氣體等等。還要以避免電池在50攝氏度以上充電,。溫度傳感器就是用于此用途,。

圖6電池充電

　　可以使用一顆片上系統(tǒng)(SoC)實現(xiàn)我們談到的整個系統(tǒng)，比如賽普拉斯的混合信號芯片PSoC,，其具備可編程模擬和可編程數(shù)字邏輯,。所需的外部組件僅僅是一個二極管和DC-DC轉(zhuǎn)換器的電感，以及用來平衡電池和PV模塊電壓的電阻,。

圖7:PSoC實現(xiàn)示意圖

　　PSoC包含的跨阻放大器(TIA)組件可以提供基于放大器的和對數(shù)電流-電壓轉(zhuǎn)換增益,，并具有阻抗增益，用戶可以選擇帶寬,。放大器的增益可以使用反饋電阻器設(shè)置,，可以通過固件選擇20ΩK、30ΩK,、40ΩK,、80ΩK、150ΩK,、250ΩK,、500ΩK和1MΩ。光電二極體通常輸出體現(xiàn)為電容,，并聯(lián)一個反饋電容可以保證其穩(wěn)定性,。TIA有滿足這個要求的可編程反饋電容。二極管的特性可能會隨環(huán)境條件而變化,?？梢酝ㄟ^PSoC編程來適應這些變化的條件,。

　　輸出電壓是使用20-bit Delta Sigma ADC數(shù)字化的。通過為ADC選擇合適的片上參考,，就有可能測量到2uV的電壓,。ADC參考采用是精度很高的源，只有不到1%的錯誤,。在這個系統(tǒng)中,，可以使用一個ADC測量多個電壓。這些電壓可以通過PSoC內(nèi)部的模擬多路復用器來順序采樣和數(shù)字化,。多路復用器可以通過固件在輸入通道之間切換,。PWM模塊是驅(qū)動直流電機和MOSFET（其為電池充電）脈沖必需的。還可以使用PWM硬件通過一點編程產(chǎn)生這些PWM波形,。內(nèi)部實時時鐘(RTC)跟蹤時間,，因此一旦太陽下山,，光強度顯著下降時,，面板會回到初始位置面向?qū)|方。第二天面板繼續(xù)追蹤太陽,。RTC還用來防止過充電,。

　　通過本文提到的實施三個子系統(tǒng)可以提高光電系統(tǒng)效率。過高的安裝費用和PV模塊的低轉(zhuǎn)換效率是阻止人們采用太陽能發(fā)電的原因,。使用智能方法,，就可以提高效率，就有可能鼓勵人們使用PV模塊,。任何現(xiàn)有的太陽能板只需要做很少的努力就都可以升級到有這三個實現(xiàn),。升級的成本相比PV模塊本身來說很少。讓我們開始利用太陽能,，減少環(huán)境污染,，建立綠色星球。