成本優(yōu)化的太陽能供電公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行能量存儲、照明和通信時需要考慮的因素
轉(zhuǎn)向更加環(huán)保的解決方案是當(dāng)前的一種趨勢，與這種趨勢一致的是自助維持運(yùn)行的太陽能供電基礎(chǔ)設(shè)施開始在全世界采用。為了改進(jìn)客戶服務(wù)、便利性和安全性，具有夜間照明和無線通信能力的公共服務(wù)站數(shù)量日益增多。有照明和可實(shí)時提供到達(dá)時間信息的公交站正在北美出現(xiàn)。太陽能供電售票亭也正在歐洲出現(xiàn)。在無法具成本效益地建造電力及有線通信基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)，也可提供這類設(shè)施。這類設(shè)施都必須能進(jìn)行無線通信，以執(zhí)行各自的功能。概念驗(yàn)證已經(jīng)有了，但是我們怎樣才能優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電源網(wǎng)絡(luò)，以最高效率利用可得到的太陽光，從而最大限度地延長運(yùn)行時間并最大限度地降低成本?
太陽能電池工作特性
太陽能電池板產(chǎn)生能量的多少與接收到的光照量成正比。云、樹木、灰塵、太陽能電池板的表面積以及太陽的旋轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生影響，這些影響可能使可用來發(fā)電的光照量產(chǎn)生極大的波動。加之太陽能電池具有高的源阻抗特性，所以在負(fù)載試圖抽取相對大的恒定電流時，大多數(shù)情況下，可能在幾段時間內(nèi)會遇到對負(fù)載、充電器和電池?zé)o電可供的情況。因此，必須應(yīng)用一種電路，以仔細(xì)控制電流，并相應(yīng)地最大限度提高太陽能電池供給充電單元的功率。
太陽能電池板的典型輸出電流和輸出電壓特性如圖 1 所示。這里出現(xiàn)了一個有趣的趨勢，即就給定太陽能電池板而言，不管照明條件如何，當(dāng)輸出電壓處于一個相對恒定的電壓 VMPP 時，太陽能電池板會提供最大輸出功率。通過查看感興趣的太陽能電池板的技術(shù)文件，可以找到電壓 VMPP。同時，也可以用一種很好的方法來獨(dú)立驗(yàn)證 VMPP 數(shù)值，通過在同樣的照明條件下逐漸增大或減小負(fù)載，畫出如圖 1 所示的那種 I-V 曲線，而讓太陽能電池板以各種不同的角度面對太陽，就可以非常容易地形成各種照明條件。
圖 1：典型太陽能電池板的輸出電流和功率隨輸出電壓變化的曲線
僅查看一個真實(shí)的太陽能電池板性能曲線，理解不了在電壓等于 VMPP 時抽取功率的重要性。圖 2 中的數(shù)據(jù)是在晴朗的天空下，在凌力爾特公司位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯的公司園區(qū)內(nèi)，用一個自動負(fù)載箱和直接面對太陽的太陽能電池板情況下，在 1 分鐘時間內(nèi)收集的。如該圖所示，在陽光直射的情況下，一個不受控制的負(fù)載可能使得凈輸出功率在低于 2W 至 47W 的范圍內(nèi)變化。如果有可能保持太陽能電池板的輸出電壓約為恒定的 13V，那么我們就可以保證向負(fù)載提供最大功率?？墒沁@個任務(wù)怎樣才能完成呢？
圖 2：Solec S-70C 太陽能電池板：輸出電流隨輸出電壓變化的曲線
優(yōu)化太陽能電池的功率
利用太陽能發(fā)電的成本仍然高于煤、天然氣等傳統(tǒng)能源，部分原因是太陽能電池的價格很高。盡管每瓦的價格在下降，但 SolarBuzz.com 于 2011 年 7 月發(fā)布的一份研究報(bào)告顯示，視批量和技術(shù)的不同而不同，以每瓦峰值功率發(fā)電量計(jì)算，太陽能電池的價格仍然處于0.96 至 2.54 歐元之間。如前所述，非理想的太陽照射條件常常妨礙太陽能電池板以峰值發(fā)電量工作。此外，就太陽能供電應(yīng)用而言，太陽能電池板和負(fù)載 (在電壓不等于 VMPP 時工作) 之間任何潛在的阻抗失配都必須考慮，而且在計(jì)算太陽能電池板的發(fā)電量時要包括這個因素，以將這個因素的影響加入到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。隨著失配的降低，在實(shí)現(xiàn)同樣的功率輸出時，太陽能電池板的尺寸和價格也會減小和降低。
減少阻抗失配的一種簡便的方法是在太陽能電池板的輸出與負(fù)載之間使用一個最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 電路。特別之處是，該電路可改變電流負(fù)載以保持電壓在 VMPP。這種電路可以采用分立 (使用大量的組件) 或集成于一個器件 (如 LTM8062 開關(guān)µModule 電池充電器) 的方式來設(shè)計(jì)。LTM8062 所提供的 MPPT 是一種簡單的解決方案，可利用單個電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)以確保能夠在相差很大的照明條件下向負(fù)載輸送最大的功率。通過比較兩款相同配置方案的輸出功率，可以最好地展現(xiàn) MPPT 電路的有效性，兩款方案均采用一塊 Solec S-70C 太陽能板，其一啟用了 MPPT，另一個則停用了 MPPT，后者可通過將 LTM8062 的 VINREG 引腳電平拉至 VIN 來實(shí)現(xiàn)。測試電路原理圖在圖 3 中給出。
圖 3：最大充電電流為 6A 時，MPPT 有效性的測試電路原理圖
能量存儲：電路比較組件和配置
LTM8062 是一款高效率的集成式恒定電流 / 恒定電壓 (CC/CV) 降壓型開關(guān)電池充電器解決方案，在 4.95V 至 32V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作。高達(dá) 18.8V 的用戶可編程電池浮置電壓允許該器件支持一個由多達(dá) 8 節(jié)密封鉛酸電池、4 節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池或者 5 節(jié)磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池組成的電池組。與業(yè)內(nèi)其他公司所建議并由超過 10 個組件組成的分立式解決方案相比，集成的 MPPT 電路極大地降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。正如前面提到的那樣，該電路驅(qū)動 LTM8062，自動將電池充電電流減小或增大到 2A，以從太陽能電池提供最大輸出功率。在最基本的應(yīng)用中，LTM8062 都僅需要 3 個外部組件就可正常工作，相比之下，傳統(tǒng)的分立式解決方案則需要 15 至 30 個組件。
到了用戶可調(diào)的時間限度以后，或充電電流下降至最低門限 (200mA) 以后，充電過程終止，電池電壓隨溫度變化的準(zhǔn)確度為 1.5%。兩個集電極開路狀態(tài)指示信號 CHRG 和 FAULT 適用于 LED，以提供視覺提示。當(dāng)該器件給電池充電時，發(fā)出 CHRG 指示信號。如果電池在固定時間限度內(nèi)沒有以啟動充電來回應(yīng)，或者當(dāng)使用可選 NTC 熱敏電阻輸入引腳時發(fā)生了過熱情況，那么就發(fā)出 FAULT 指示信號。
如果電池電壓降至低于設(shè)定浮置電壓的 2.5%，或已插入新電池，那 LTM8062 會自動給電池再充電。當(dāng)太陽能電池板的電壓在夜間急劇下降時，內(nèi)部隔離二極管用來防止從電池回到電源的反向電流。就更大的充電電流而言，多個 LTM8062 的輸出可以并聯(lián)到一起。采用這種聯(lián)接方法時，這些 LTM8062 模塊可以共享單對反饋電阻器，如圖 3 所示。3 個 LTM8062 模塊并聯(lián)，在恒定電流充電狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn) 6A ±7.5% 的最大充電電流。充電終止電壓設(shè)定在 8.4V。
Solec International 公司的 S-70C 是一款單晶太陽能電池板，額定峰值輸出功率為 70W。根據(jù)各種照明條件下的測試結(jié)果確定，最大功率電壓為 13V，盡管標(biāo)簽上標(biāo)明 VMPP 數(shù)值為 17V。不過，該產(chǎn)品仍然顯示了太陽能電池板的典型性能特性。在進(jìn)行所有測量時，該太陽能電池板都與地平行放置，以模仿平坦的屋頂。
因?yàn)樵谡鎸?shí)應(yīng)用中，電池的最初充電狀態(tài)隨系統(tǒng)使用情況、電池尺寸、之前幾天的天氣情況以及其他因素的不同而有很大變化，所以用一個電子負(fù)載來模擬在恒定電流和恒定電壓充電區(qū)之間過渡時，從太陽能電池板抽取的最大功率的近似值。通過要求兩個電路處于這一工作點(diǎn)，我們可以肯定，該電路能否支持充電周期中的其他所有事件。在對應(yīng)于兩節(jié)鋰離子電池組的 8.4V 充電終止電壓情況下，要求該電子負(fù)載用 3 個并聯(lián) LTM8062 充電器模塊拉高到 6A，同時保持約為 8V 的電壓。
最大峰值功率跟蹤的有效性
夏天的某一天，在凌力爾特位于美國加利福尼亞洲米爾皮塔斯總部的室外園區(qū)，當(dāng) MPPT 電路啟用和停用時，我們進(jìn)行了一整天的測量。對舊金山夏天的氣候很熟悉的人都知道，早上灰蒙蒙的天氣，經(jīng)常到午后就變得晴空萬里了。這也是我們在 7 月的一天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時的情況。 測量在正常工作時間進(jìn)行，但實(shí)際應(yīng)用將有可能在數(shù)據(jù)采集的前后提供幾個小時的額外光照。圖 4 示出了輸送至電子負(fù)載 (模仿我們的 8.4V 鋰離子電池) 的有效負(fù)載電流和功率。這一整天都處于接近最大吸取功率以及晴朗的天氣條件下 (特別注明的地方除外)。
圖 4：啟用和停用 MPPT 時的充電電流和功率
當(dāng) MPPT 電路工作時，輸送至模擬電池的電流及功率明顯高于該電路不工作時的水平。除了中午那段時間達(dá)到 LTM8062 內(nèi)部最大充電電流限制的情況以外 (MPPT 啟用)，如圖所示提供給負(fù)載的電流增大了 20% 至 40%。如果將電池充電器和負(fù)載與電路分開一會兒，那么 MPPT 電路啟用時，從太陽能電池板抽取的功率比該電路停用時多 18% 至 42%?？傊?，更顯著的改進(jìn)往往發(fā)生在早上和晚上光照較弱的時候。在這 9 個小時中提供給負(fù)載的額外能量在最大峰值功率電路停用時約為 240W•hr，而MPPT 電路啟用時約為 300W•hr (參見圖 5)，提高了 25%。據(jù)此，一個 100W 的太陽能電池板系統(tǒng)在負(fù)載端的 MPPT 啟用時，與一個 125W 太陽能電池板系統(tǒng)在 MPPT 停用時所產(chǎn)生的功率相同。以太陽能電池板的市場價格為每瓦 1 至 2.54 歐元計(jì)算，可能節(jié)省的費(fèi)用等于 25 歐元至 63.5 歐元。
圖 5：提供給電池的累計(jì)能量
可靠的高能效照明
由于最大輸出功率現(xiàn)在可以高效率地存儲在電池中，所以今天最可靠和最高效率地提供夜間照明的方式是采用 LED。舊金山市新引入了采用 LED 的公交站消耗 74.4 瓦功率，相比之下，之前的熒光燈照明公交站消耗 336 瓦功率。擁有成本也降低了，因?yàn)?LED 可持續(xù)使用的時間是熒光燈的 10 倍。此外，LED 要求用 DC 電源工作，非常適合于用太陽能電池板及電池提供的 DC 電源。熒光燈要求用范圍一般在 200V 至 1500kV 的 AC 電壓工作，當(dāng)用 DC 電源工作時，需要昂貴和復(fù)雜的驅(qū)動器。另外，熒光燈泡所需的較高電壓 AC 電源還會變成潛在無線通信的一個干擾源，下一節(jié)將對此加以闡述。LTM8042 恒定電流 LED 驅(qū)動器在效率、可靠性和便利性方面與 LTM8062 非常相似，為滿足照明需求提供了一個有價值的解決方案。
圖 6a 和 6b：采用升壓型配置的 LTM8042 和 LTM8042-1
無論需要升壓、降壓或降壓-升壓型工作模式，LTM8042 和 LTM8042-1 都可以非常容易地配置為分別提供高達(dá) 1A 和 350mA 的恒定電流。在這個實(shí)驗(yàn)中，模擬的 8.4V 鋰離子電池組會在約 7V 時提供其大部分能量，從而在采用 Cree 公司的中性白光 XLAMP XM-L LED 時，允許 LTM8042 支持一個高達(dá) 16V 的 700mA LED 串，以提供 1300 流明的光通量。采用同一個電池組，LTM8042-1 能以高達(dá) 350mA 驅(qū)動一個 24V 的 LED 串，從而在采用 Lumileds 公司的中性白光 Luxeon Rebel ES LED 時，提供 1040 流明的光通量。如果兩個太陽能電池板串聯(lián)疊置，以將 VMPP 提高到 26V，而且電池組電壓提高到 16.8V，那么在 350mA時，采用 Xlamp XM-L LED 可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2880 流明的光通量，而采用 Luxeon Rebel ES 可實(shí)現(xiàn) 1430 流明的光通量。LTM8042 和 LTM8042-1 構(gòu)成了一個在 3V 至 30V 輸入電壓范圍工作的完整 LED 驅(qū)動器解決方案，而且僅需要很少的 3 個外部組件。
為了在黃昏和黎明時節(jié)省功率，LTM8042 支持兩種調(diào)光方法。采用圖 6b 所示的 PWM 輸入可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 3000:1 的調(diào)光比。采用一個電阻器或電壓可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。開關(guān)頻率在 250kHz 至 2MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，而且可以同步至一個高達(dá) 2.5MHz 的外部時鐘，以適用于噪聲敏感應(yīng)用。
清晰的通信是關(guān)鍵
不管是 Wi-Fi、HSPA、LTE 抑或是其他無線標(biāo)準(zhǔn)，通信系統(tǒng)的功耗都在日益降低、而服務(wù)的區(qū)域則在持續(xù)擴(kuò)大。無線通信是對公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的一種簡易擴(kuò)充。公共交通站點(diǎn)可將最新的實(shí)時服務(wù)信息傳遞給他們的乘客。售票處可辦理乘客的電子付費(fèi)。太陽能供電型傳感器開始逐步應(yīng)用于主要城市的街道中，可幫助駕駛者找到有空位的停車地點(diǎn)并由此緩解交通擁塞。在可能沒有傳統(tǒng)有線通信基礎(chǔ)設(shè)施的場合中，如果系統(tǒng)是脫離電網(wǎng)的，那么向系統(tǒng)及/ 或從系統(tǒng)進(jìn)行清晰的信息傳遞 (特別是無線通信) 的能力是很關(guān)鍵。
在無線通信中，低噪聲輻射噪聲解決方案對于改善信號接收與傳輸質(zhì)量是很重要。凌力爾特公司提供了 8 款簡單和易用的 DC/DC 降壓型 µModule 穩(wěn)壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通過了 EN55022 Class B 輻射 EMI (電磁干擾) 規(guī)范的認(rèn)證，并具有業(yè)界最高的額定輸出功率。測試是采用標(biāo)準(zhǔn)的演示電路板來完成的，并可向所有的設(shè)計(jì)工程師提供演示電路板的 Gerber 文件。其 EMI 性能得到了由第三方所提供的獨(dú)立測試報(bào)告的證實(shí)，相關(guān)的測試報(bào)告可以在線查閱。凌力爾特經(jīng)過 EN55022 Class B 規(guī)范認(rèn)證的降壓型µModule 穩(wěn)壓器系列可接受高達(dá) 36V 的工作輸入電壓和高達(dá) 8A 的輸出電流，并能在多個模塊之間支持準(zhǔn)確的輸出電流均分，從而將輸出電流能力提升至 32A。對于那些要對運(yùn)行時間要求很高的無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師們而言，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些器件是非常有用的工具。
結(jié)論
自助供電的智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的好處非常多。今天已有的技術(shù)使這種基礎(chǔ)設(shè)施有可能實(shí)現(xiàn)，不過需要優(yōu)化以使這種基礎(chǔ)設(shè)施能投入實(shí)用。LTM8062 微型模塊電池充電器具有MPPT 功能，可構(gòu)成緊湊、便利、可靠和高效率的解決方案，使從太陽能電池板抽取的功率提高多達(dá) 40%。在一天中，可以多獲取 25% 的能量，因此以目前的價格計(jì)算，就 100 瓦峰值發(fā)電量而言，太陽能電池板的費(fèi)用有可能節(jié)省 25 歐元至 63.5 歐元。面向 LED 照明和噪聲敏感無線通信的、緊湊和高效率電源模塊采用了緊湊的外形尺寸，以增強(qiáng)系統(tǒng)功能。憑借具 MPPT 的高效率、可靠和便利的電池充電器，結(jié)合先進(jìn)的電池存儲技術(shù)、太陽能電池及高效率 LED，更多城市甚至偏遠(yuǎn)環(huán)境現(xiàn)在都可以用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案實(shí)現(xiàn)自助供電的智能公共基礎(chǔ)設(shè)施了。
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