【導讀】太陽能看似是“免費”的可再生能源，但實際上
，要想將撞擊電子轉變成可利用的資源，需要嚴謹的設計方案、先進的電子設備以及精密的電池充電/放電管理係統。

太陽能應用十分廣泛
，主要分為以下三大場景：

●     數據記錄和物聯網的能量采集係統，功率在毫瓦範圍內，輸出為低壓直流；

●     作為家庭或遠程裝置的主電源、備用電源或補充電源
，通常可進行電力傳輸，功率在百瓦至千瓦之間，輸出為交流線電壓；

●     作為電網一部分的發電係統，固定在適當位置，功率達到幾十萬千瓦，輸出為數千伏交流電。

盡管能量采集應用可能會忽略顯示器等很多麵向用戶的模塊，但帶有無線鏈路的太陽能裝置仍需要大量的附加功能，如圖1所示。從大的方麵來看，電力子係統可能隻是一個很小的設計，但實際上並非如此。

它擁有以下功能和模塊：與太陽能電池連接並從中捕獲能量的前端；將能量引導至存儲單元（電池或超級電容器）的電源管理功能

，以及控製從存儲單元提取能量的電力負荷管理模塊。係統先捕獲可用的能量（焦耳）
，然後以功率（瓦特）的形式將其釋放出來，以滿足負載需求。[功率是運行負載所需的能量利用率；但以能量（即功率對時間的積分）的形式被捕獲。]

圖1：對於物聯網來說
，一個完整的太陽能供電係統由許多功能塊組成
；但用作備份或備用電源時


，不需要功能塊（如傳感器和射頻鏈路）(圖源：貿澤電子)

事實上
，我們需要了解能從太陽中提取多少能量。到達地球大氣層頂部的平均太陽輻射量約為1kW/m2或0.1W/cm2。

即使在晴天，也隻有一小部分輻射能夠穿越大氣層到達地麵，而太陽能電池的效率隻有15-20％，因此樂觀的估計，太陽能電池釋放出的可利用能量約為10mW/cm2。再加上捕獲
、存儲和輸出轉換的損失，太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當低，這還不包括夜晚
、多雲
、季節性輻射和經緯度等因素的影響。

由此看出，尤其是在mW采集應用（不必擔心I2R損耗）中(zhong)
，非(fei)常(chang)有(you)必(bi)要(yao)將(jiang)整(zheng)個(ge)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)損(sun)耗(hao)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。這(zhe)種(zhong)優(you)化(hua)對(dui)於(yu)前(qian)端(duan)的(de)挑(tiao)戰(zhan)尤(you)為(wei)突(tu)出(chu)，太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)必(bi)須(xu)在(zai)這(zhe)裏(li)被(bei)提(ti)取(qu)並(bing)采(cai)集(ji)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)任(ren)何(he)損(sun)失(shi)或(huo)低(di)效(xiao)率(lv)在(zai)這(zhe)之(zhi)後(hou)都(dou)無(wu)法(fa)彌(mi)補(bu)
，撞(zhuang)擊(ji)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)也(ye)將(jiang)永(yong)遠(yuan)消(xiao)失(shi)。

通過功率點追蹤來提升效率

大多數傳統能源（電源）作為具有固定參數（如內阻）的(de)電(dian)流(liu)或(huo)電(dian)壓(ya)源(yuan)表(biao)現(xian)相(xiang)對(dui)較(jiao)好(hao)，而(er)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)則(ze)具(ju)有(you)不(bu)尋(xun)常(chang)的(de)特(te)性(xing)，需(xu)了(le)解(jie)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)，以(yi)便(bian)盡(jin)可(ke)能(neng)多(duo)地(di)捕(bu)捉(zhuo)其(qi)輸(shu)出(chu)。設(she)計(ji)者(zhe)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)從(cong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)獲(huo)得(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)，而(er)不(bu)管(guan)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)，因(yin)為(wei)這(zhe)兩(liang)個(ge)量(liang)都(dou)會(hui)隨(sui)著(zhe)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)。

在一組給定的工作條件下，會有一個稱為最大功率點（MPP）的獨特“工作點”
，此時電池輸出功率（即V × I）最大。要提取功率
，電池負載（即連接電路的電阻）必須與電池的特征電阻相匹配。

這(zhe)種(zhong)匹(pi)配(pei)情(qing)況(kuang)類(lei)似(si)於(yu)需(xu)要(yao)將(jiang)任(ren)何(he)電(dian)源(yuan)與(yu)負(fu)載(zai)匹(pi)配(pei)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)，例(li)如(ru)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)與(yu)負(fu)載(zai)天(tian)線(xian)之(zhi)間(jian)

，或(huo)天(tian)線(xian)與(yu)射(she)頻(pin)前(qian)端(duan)之(zhi)間(jian)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，源(yuan)阻(zu)抗(kang)和(he)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)參(can)數(shu)是(shi)相(xiang)對(dui)恒(heng)定(ding)的(de)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)是(shi)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)電(dian)路(lu)（在某些應用中
，特別是高性能射頻應用中，需要考慮到因自熱和環境條件，某些參數會隨溫度而變化）。

然而，太陽能電池的工作條件從來都不是恒定的
，並且由於照明、電池溫度
、電池壽命和其他因素的變化而反複變化。因此，太陽能係統必須動態改變電池負載以獲得最大效率，這種技術稱為最大功率點追蹤（MPPT）。有效的MPPT可以通過帶有電阻負載線和最大功率線的電流-電壓以及功率-電壓關係傳統圖表來實現，如圖2a和圖2b所示。

圖2：a)和b)分別顯示了複雜的光伏陣列電流-電壓以及功率-電壓曲線；負載線和最大功率點是找到最高效率的關鍵（來自紐卡斯爾大學電力電子、驅動和機器研究小組）

（圖源：來自光伏應用的低成本MPPT算法：光伏泵案例研究，幻燈片5和6）

MPPT可以通過幾種方法實現：

對於“擾動觀察”法來說，前端電路的阻抗來源於“擾動”
，因此需要監測輸出；如果功率增加
，繼續依相同方向調整電壓，一直到功率不再增加為止。這是許多優化方案尋找最大值/最小值的標準方法。

其他方法包括通過使用掃描電流或電壓驅動來確定電池的內部參數
，從而操縱電池的跨導。

每種方法都有利弊
，例如在尋求MPP時可能出現過度振蕩或“擺動”

，或在試圖對MPP中相對快速的變化作出反應時出現次優性能。

MPPT實現方法

無論選擇何種MPPT算法，都可以通過專用IC以硬件的形式實現，或作為係統微控製器編程的一部分以固件（軟件）的形式實現。雖然後一種選擇提供了極大的靈活性和微調甚至更改MPPT算法的能力，但也可能會增加係統負擔
，因此與固定功能IC相比
，需要更高速、更耗電的處理器。與幾乎所有的工程決策一樣
，在選擇MPPT算法時也需要進行權衡，還要考慮到主要成本或功率增量的閾值。

對於小型采集係統，通過專用IC實現單個MPPT通常具有較高的成本效益和效率；對於分布在較大區域（甚至是隻有幾平方米）的多單元陣列，可能需要為每個單元分區提供單獨的MPPT，因為每個單元和分區可能具有不同的特性。所以要根據太陽能陣列的大小、功率等級和所需的靈活性（或者根本不需要考慮），來選擇是使用具有專用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子係統IC，還是基於固件的MPPT處理器。

此外
，還可借助完全可編程的控製器來進一步提升複雜性和靈活性，如來自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高壓隔離太陽能MPPT開發套件。這套完整的評估板（圖4）用於輸入為200-300VDC且功率高達500W的大功率係統。它采用C2000係列中的Piccolo F28035處理器
，並具有用於最大功率點追蹤的兩相交錯升壓級和半橋諧振LLC隔離級
，這兩個級別可通過單個MCU實現數字控製。設計人員可以通過增量電導法或擾動觀察法來選擇MPPT，進而在應用中測試這兩個方法及有效性。

圖3：作為完全可編程的解決方案
，Texas Instruments TMDSHVMPPTKIT是擁有MPPT算法的高壓隔離太陽能開發套件，采用Piccolo F28035處理器
，並可提供500W的功率

（圖源：http://www.ti.com/tool/TMDSHVMPPTKIT）

此套件內置USB JTAGfangzhengongneng，yinciwuxuwaibuyingjian，tongshihaibaokuokekuaisushangshoudetuxingyonghujiemian。suoyouyingjianheruanjianjuntigongwanzhengdewendangjilu，bingkaifangyuanmagongshejishiyong。gaipinggubanmibuleTI TMSHV1PHINVKIT的不足；它們的結合形成了一個完整的DC-AC太陽能供電逆變器係統。

中等規模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。該IC是一係列增強型核心器件之一
，具有NCO（數控振蕩器）、CWG（互補波形發生器）或CLC（可配置邏輯單元）等外圍設備。Microchip在其應用筆記中提供了詳細信息
，包括MPPT流程圖和相關代碼模塊[參考文獻1（AN1467）和2（AN1521）]；兩者都可以與PIC設備一起使用，而流程圖可以單獨用作任何處理器編程工作的指南。

對於電子電路來說，從小型物聯網到大型備份
、甚至是主電源，太陽能由於其免費
、永不耗竭的優勢，具有巨大的吸引力。然而
，現有可供利用的太陽能隻是一小部分

，所以任何設計都必須注重其前端效率（如MPPT問題）
，從而使這種方法在經濟上合理，技術上可行。當然，無論設計師選擇專用前端IC還是完全可編程
、基於處理器的設計，都取決於太陽能電池陣列的大小
、物理布局、所需的模塊化程度和成本。

參考資源

[1] AN1467，“采用反相SEPIC（Zeta）拓撲的高功率CC/CV. 電池充電器

，Microchip Technology

[2] AN1521，“實現太陽能電池板MPPT算法的實用指南”，Microchip Technology

[3] 高電壓隔離太陽能MPPT開發者套件，Texas Instruments

[4] TIDU404，數字控製高壓太陽能MPPT DC-DC轉換器 ，Texas Instruments 

[5] 超低功耗滿足能源采集需求 – 白皮書，Texas Instruments

[6] C2000™太陽能逆變器開發套件，Texas Instruments

[7] 電源管理IC開發工具高Vltg獨立太陽能MPPT開發套件，貿澤電子

[8] 太陽能采集技術
，貿澤電子

[9] 光伏應用的低成本MPPT算法：光伏泵案例研究
，紐卡斯爾大學電力電子

、驅動和機械研究小組

來源：貿澤電子
，原創：Bill Schweber  

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