如何創(chuàng)建太陽能電源的解決方案

1.前言

如何設(shè)計(jì)一個(gè)太陽能應(yīng)用？

在能源日益短缺的今天，自然能的利用成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，在各種自然能中，無窮無盡的太陽能以其無處不在的優(yōu)勢倍受青睞。

實(shí)際上，地球上的一切能源都來自太陽。煤和石油的生成，植物的生長，水和風(fēng)的運(yùn)動(dòng)。但是，由于太陽能的分散性和不穩(wěn)定性，直接利用太陽能并不容易，近年來，隨著能源的短缺和太陽能利用技術(shù)的提高，直接利用太陽能才成為現(xiàn)實(shí)。

陽光有多鐘利用方法，利用硅光電池發(fā)電是最方便的利用方式之一。目前硅光電池發(fā)電最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是解決供電困難地區(qū)的照明問題。

夏季晴天的太陽光每平方米不足1000瓦，可見，太陽能雖然巨大，但十分分散。商品化的硅太陽蓄電池組成太陽能LED照明系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

完整的太陽能照明系統(tǒng)主要有以下5部分組成：

1、太陽能電池板

太陽能電池板是在有陽光時(shí)用來產(chǎn)生電能的，發(fā)電功率要根據(jù)照明用電的功率和照明時(shí)間來計(jì)算。如照明燈具的功率是2瓦，要求沒有陽光時(shí)連續(xù)照明時(shí)間10小時(shí)，再考慮變換電路的變換損失，太陽能電池板的發(fā)電功率必須是3瓦左右。

2、蓄電池

蓄電池的作用是把有陽光時(shí)太陽能電池發(fā)出的電存儲(chǔ)起來，供沒有陽光時(shí)使用。蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和LED燈的功率以及照明時(shí)間來決定。如配合2瓦的LED燈，3瓦的太陽能電池板，沒有太陽時(shí)要求連續(xù)照明時(shí)間10小時(shí)，可選用12V/2.2AH的蓄電池。

3、太陽能充電控制電路

這部分電路的功能是在陽光充足，光照時(shí)間長的時(shí)候控制充電程度，電池充滿即停止充電，不使蓄電池過充損壞，以保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命。

4、LED驅(qū)動(dòng)器

這是系統(tǒng)的核心控制電路。它的功能有三個(gè)：

①、完成發(fā)光二極管的恒流驅(qū)動(dòng)控制，使流過發(fā)光管的電流不隨蓄電池的電壓變化。

②、具有光控功能，天亮?xí)r自動(dòng)關(guān)燈，天黑時(shí)自動(dòng)開燈。

③、低電壓保護(hù)。當(dāng)電池電壓下降到10.8伏時(shí)輸出關(guān)閉，以免過放電損壞蓄電池。

2.設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我為這個(gè)設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)功率相對較低的太陽能電池板或光伏 (PV) 系統(tǒng)：20W 足以為我們的系統(tǒng)提供 12V 或 6V 的輸出，電流低于或約為 1.5A。不幸的是，我們不能簡單地將 PV 連接到終端設(shè)備。雖然今天的大多數(shù)系統(tǒng)都配備了內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，但 PV 的電壓會(huì)根據(jù)它接收到的陽光量而擺動(dòng)。12V PV 可以在 0.65V（沒有陽光）到 15V 之間波動(dòng)；如果額定電壓為 12V，這可能會(huì)損壞目標(biāo)終端設(shè)備。

因此，我們需要包含一個(gè)控制電路，它可以為我們提供理想或恒定的直流電壓來為系統(tǒng)供電，并確保清除輸入電壓中的波動(dòng)噪聲。通過應(yīng)用具有足夠?qū)捿斎腚妷翰僮鞯牡蛪翰罘€(wěn)壓器 (LDO)，我們可以非常輕松地做到這一點(diǎn)。在這個(gè)例子中，我使用了具有可調(diào)輸出的TI LM317以使應(yīng)用盡可能靈活，如圖 1 所示。使用鉛酸電池作為終端系統(tǒng)保留收集的功率，因?yàn)殡妷汉碗娏鞫紩?huì)在夜間下降或陽光很少。

圖 1：控制電路原理圖

3.功耗和壓差

在此設(shè)計(jì)中，管理的總功率將受到所選 LDO 熱阻的限制。在需要大電流或環(huán)境溫度過高時(shí)，我們還可以根據(jù)需要應(yīng)用散熱器以進(jìn)一步冷卻系統(tǒng)。如果使用LM317，我們需要將溫度保持在最大125 ° C以下，使用 TO-220 封裝意味著我們還需要將功耗限制在 ~4.5W（如果使用 0.5A 作為輸出） . 此預(yù)防措施可確保我們有足夠的帶寬來在 40 ° C 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)啟用系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，LM317具有內(nèi)部溫度關(guān)斷功能，可以防止設(shè)備過熱時(shí)造成損壞。

考慮到最壞的情況，公式 1 計(jì)算了通過控制電路應(yīng)用于 6V 電池的 12V PV 的功率：

在這種情況下，太陽能電池板永遠(yuǎn)不會(huì)超過選定的 4.5W。但是，我們可以通過應(yīng)用散熱片來實(shí)現(xiàn)更高的電流輸出。

當(dāng)電池充滿電時(shí)，電池電壓會(huì)很高，但電流會(huì)非常低，從而降低壓差并使 PV 的開路發(fā)揮作用。我選擇了肖特基整流器來降低壓差要求，并在電池節(jié)點(diǎn)的電壓高于所需壓差時(shí)保護(hù)電池免于放電。

該電路的優(yōu)缺點(diǎn)包括：

· (+) 標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的設(shè)備；小板；不貴。

· (+) 可設(shè)計(jì)為可調(diào)電壓輸出；沒有陽光時(shí)電池放電為零。

· (-) 高壓降（取決于 LDO）；取決于輸出電壓，壓差可能太高。（我們可以使用開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差 LDO 輕松解決此問題。）

· (-) 花里胡哨的不多；沒有指示燈或發(fā)光二極管 (LED)。功能將完全取決于 LDO。

我們還可以將此電路應(yīng)用于需要恒定直流電壓的電池化學(xué)。應(yīng)用其他 LDO 并更換電池可確保降低功耗并提高整體系統(tǒng)效率。我們還可以應(yīng)用升壓轉(zhuǎn)換器以在低光照條件下利用 PV 的功率輸出。