太陽(yáng)能電池板效率計(jì)
在極端環(huán)境中對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備或產(chǎn)品時(shí)，資源、材料限制、調(diào)試和時(shí)間壓力都具有挑戰(zhàn)性。不過(guò)，正是失敗才是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作的成功之母，而且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中積累的經(jīng)驗(yàn)也有助于設(shè)計(jì)師對(duì)系統(tǒng)的全面了解。我們要測(cè)試的是，由太陽(yáng)能供電的 12V 鉛酸汽車電池充電電路原型系統(tǒng)，我們要用這個(gè)汽車電池給 LED 燈、音頻系統(tǒng)、用于露營(yíng)淋浴器和噴霧系統(tǒng)的水泵等供電，要證明該充電電路不會(huì)損壞并能正常工作。我們的測(cè)試環(huán)境是美國(guó)炎熱的內(nèi)華達(dá)州沙漠，那里沒(méi)有水、沒(méi)有陰涼處、沒(méi)有電，什么都沒(méi)有。在這樣的條件下，活著的惟一指望是，用貨運(yùn)汽車裝運(yùn)幾天中所需的一切，然后再一樣不少地全都運(yùn)回來(lái)。從每個(gè)方面來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)完美的測(cè)試環(huán)境，可確定系統(tǒng)是否足以提供舒適的生活條件。
“真刀真槍”地驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)
對(duì)于諸如此類的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，失敗的后果是，會(huì)產(chǎn)生一種非常糟糕的感受。人們普遍認(rèn)為，必須監(jiān)視充電系統(tǒng)，以防止電池電量完全耗盡。因此，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量，并實(shí)時(shí)收集測(cè)量數(shù)據(jù)，以保持并恢復(fù)電池壽命。我們所采用的器具包括一個(gè) DC1688 演示電路板，該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽(yáng)能電池充電控制器，該控制器連接到 Solec 公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽(yáng)能電池板，這個(gè)太陽(yáng)能電池板的最高電壓為 17V，電流為 4.45A 1。該演示電路板非常簡(jiǎn)單：連接太陽(yáng)能電池板和電池，就可以正常工作了。LT3652 跟蹤電源曲線，并優(yōu)化該曲線，以便以 14V 和 2A 的最大電流給電池充電，因此優(yōu)化了太陽(yáng)能電池板的供電。LT3652 具預(yù)查驗(yàn)功能，會(huì)給低壓電池進(jìn)行涓流充電，以保持電池良好運(yùn)行，如果電池沒(méi)有響應(yīng)預(yù)查驗(yàn)，那么該器件還提供壞電池檢測(cè)指示信號(hào)。
1 Solec SQ-70 太陽(yáng)能電池板特征參數(shù)：
額定功率：在 25oC 時(shí)為 75W
最高電壓：17.00V
最大電流：4.45A
短路電流：4.75A
開路電壓：21.40V
尺寸：46.8 英寸 x 20.9 英寸 x 1.5 英寸
重量：16.5 磅/7.5 千克
問(wèn)題是，如果我們開始時(shí)電池是充滿電的，并在白天始終保持充電，那么要想整夜使用 LED 燈、支持用于淋浴器的 12V 水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、用 12V 汽車音頻放大器播放幾個(gè)小時(shí)的 iPod 音樂(lè)以及給其他外部設(shè)備再充電，Solec 70W 太陽(yáng)能電池板能提供足夠的電力、給電池充上所需的電量嗎?
這類測(cè)試的關(guān)鍵部分是測(cè)試充電電路的效率。充電電路最大限度地給電池充電了嗎？充電電路最大限度地利用太陽(yáng)光照和太陽(yáng)能電池板了嗎？盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來(lái)測(cè)量效率并不難，但是攜帶 4 個(gè)萬(wàn)用表和一個(gè)計(jì)算器去沙漠，不斷讀取讀數(shù)和測(cè)量值，是不現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)，我們可以使用內(nèi)部開發(fā)的“效率計(jì)”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個(gè)微控制器和一個(gè) ADC，就可以構(gòu)成一個(gè)效率計(jì)，并用該效率計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算效率，最后在 LCD 顯示屏上顯示結(jié)果。無(wú)需萬(wàn)用表、無(wú)需計(jì)算器，最重要的是，無(wú)需電腦。該系統(tǒng)用一個(gè)僅為 9V 的電池和內(nèi)部嵌入式編程，就可以獨(dú)立工作了，這使得該系統(tǒng)非常便于攜帶。就優(yōu)化太陽(yáng)能電池板充電系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)效率數(shù)據(jù)極為有用，例如，在給太陽(yáng)能電池板定位時(shí)，有了實(shí)時(shí)效率數(shù)據(jù)，就不用靠猜測(cè)行事了，另外利用實(shí)時(shí)效率數(shù)據(jù)還可以確定白天什么時(shí)間充電效率最高、恰當(dāng)?shù)仡A(yù)算電池電量的使用等。
凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個(gè) PIC 微控制器，該微控制器與 DC571A 演示電路板連接。DC571A 演示板由一個(gè) 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個(gè)通道，其中兩個(gè)通道測(cè)量 VIN 和 VOUT，另外兩個(gè)通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測(cè)放大器，以電壓形式測(cè)量 IIN 和 IOUT，因?yàn)殡妷号c電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改，電阻器更換為實(shí)現(xiàn) 0.1V/1A 的比率。
將 LTC2418 (ADC DC571A) 演示電路板連接到 DC590B 的微控制器接口，這很容易，然后記錄 ADC 4 個(gè)差分通道上的代碼、獲取所測(cè)電壓的瞬時(shí)值、轉(zhuǎn)換、計(jì)算效率并將結(jié)果顯示在 LCD 上。 最終結(jié)果是，我們得到了一個(gè)簡(jiǎn)單明了的系統(tǒng)，可顯示Vs (太陽(yáng)能電池板電壓)、IIN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、IOUT (從電池充電器到 12V 鉛酸電池的輸出電流) 和計(jì)算所得的效率 (Vb x IOUT) / (Vs x IIN) x 100。
讓每個(gè)通道都作為差分電壓測(cè)量通道工作意味著，VIN 和 VOUT 的接地通道需要連在一起。在我的設(shè)計(jì)中，通道 3、5、7 和 9 連接至地。通道 2 和 6 是 Vs 和 Vb。通道 4 和 8 是 IIN 和 IOUT。該 ADC 具 2.5V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓限制，因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個(gè)分壓器，以保持處于 20V 的最大輸入范圍內(nèi)。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率，而內(nèi)部代碼用來(lái)重新計(jì)算真正的電壓值，所使用的少量糾錯(cuò)可以忽略不計(jì)。
最后一步是讓該系統(tǒng)具有足夠的便攜性，以靠一個(gè) 9V 堿性電池工作，方便隨身攜帶，但又要使該系統(tǒng)足夠靈活，以使用 12V 鉛酸電池。DC823B 演示電路板采用 LTM4600 降壓型微型模塊 (µModule®) 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器的最大輸入電壓范圍為 20V，可調(diào)節(jié)提供給整個(gè)太陽(yáng)能電池板電池充電器系統(tǒng)的 5V 電壓 (圖 1) 。用 5V 輸出選擇跨接線將 9V 堿性電池連接到該演示電路板的VIN 端。LTM4600 的 BURST 模式在輕負(fù)載時(shí)效率較高，有助于延長(zhǎng)電池壽命。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)依靠最終產(chǎn)品工作，我們對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行了從設(shè)計(jì)到原型系統(tǒng)的 β 測(cè)試。
圖 1：可在 LCD 顯示屏上實(shí)時(shí)顯示結(jié)果的太陽(yáng)能電池板效率計(jì)；從左至右依次是：
DC823B 演示電路板 (LTM4600 - 降壓型微型模塊穩(wěn)壓器)
DC590B 演示電路板 PIC 微控制器
DC571A 演示電路板 (LTC2418 - 24 位、8 通道 ADC LTC2418)
DC1116A 演示電路板 (LTC6103 - 電流檢測(cè)放大器)
實(shí)時(shí)效率
在沙漠中生活幾天不是一件容易的事，除非有電池電源提供一些令人舒適的條件。我們使用了一個(gè) 12V 水泵，能用淋浴器和噴霧系統(tǒng)同炎熱的天氣做斗爭(zhēng) (圖 2)。晚上也令人愉快，有一串 LED 燈給營(yíng)地照明。我們搭建遮蔭棚以遮蔽太陽(yáng)時(shí)，使用了無(wú)繩電鉆，該無(wú)繩電鉆可再充電以連續(xù)使用 (參見(jiàn)圖 3)。我們甚至通過(guò)一個(gè)放大器和幾個(gè)揚(yáng)聲器播放了 iPod 音樂(lè)，度過(guò)了幾個(gè)節(jié)日般的夜晚。實(shí)時(shí)效率計(jì)幫助我們預(yù)算整個(gè)白天的功耗，不僅幫助我們定位了太陽(yáng)能電池板的朝向，還幫助我們確定了設(shè)備使用多長(zhǎng)時(shí)間后，電池電量才會(huì)耗盡。宿營(yíng)仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槲覀儽仨殤?yīng)對(duì)隔斷太陽(yáng)光照的沙塵暴，沙塵暴妨礙太陽(yáng)能電池板給電池充電，使我們不得不限制電源的使用。不過(guò)最后，該系統(tǒng)的工作表現(xiàn)與設(shè)計(jì)初衷相吻合，電池電量從未耗盡，設(shè)計(jì)師經(jīng)受住了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的考驗(yàn)而沒(méi)有任何損失。
圖 2：搭建遮蔭棚和使用 12V 水泵的淋浴房時(shí)使用了可再充電的工具
圖 3：在沙漠中實(shí)現(xiàn)最高效率的系統(tǒng)配置：
A. Solec SQ-70 75W 太陽(yáng)能電池板
B. 12V 鉛酸汽車電池 (兩個(gè)電池裝在綠色箱子中；一個(gè)用于充電，另一個(gè)用于工作)
C. Ryobi 無(wú)繩電鉆的充電器和電池
D. 用于淋浴器和冷卻噴霧系統(tǒng)的水泵
E. 法式咖啡壺，早上提神用
F. 揚(yáng)聲器用作桌子的腿，配合廢棄木板搭成桌子
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