使用低功率太陽(yáng)能電池板進(jìn)行能量收集

隨著全球能源需求繼續(xù)推動(dòng)油價(jià)上漲，所有應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工程師都在研究利用“免費(fèi)”能源的技術(shù)。光伏太陽(yáng)能電池提供最常見(jiàn)的替代能源。關(guān)于最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法已經(jīng)進(jìn)行了無(wú)數(shù)的文章和研究，以從太陽(yáng)能中提取盡可能多的能量。然而，這些技術(shù)太復(fù)雜，太昂貴，坦率地說(shuō)，需要太多的能量才能對(duì)低功率太陽(yáng)能應(yīng)用多大用處。

考慮一個(gè)需要3.3V電源軌的應(yīng)用，提供僅幾十微瓦的平均功率，峰值功率達(dá)到幾十毫瓦。例如，這可以是間歇運(yùn)行的遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器、酒店門鎖、工業(yè)控制設(shè)備等。該設(shè)計(jì)將考慮能量收集裝置（太陽(yáng)能電池板），儲(chǔ)能裝置（電池），電池充電器和電壓轉(zhuǎn)換器。

圖1.能量收集電池充電器

許多制造商生產(chǎn)低功率光伏設(shè)備，包括松下的G24i，IXYS和Amorton系列。我對(duì)G24i產(chǎn)品有一些經(jīng)驗(yàn)，所以我將重點(diǎn)介紹他們的染料敏化光伏模塊。Indy4050 面向室內(nèi)應(yīng)用。其3050mm2在 90 勒克斯時(shí)提供約 200mW 的功率，在 465 勒克斯時(shí)提供 1000mW 的功率。請(qǐng)記住，典型的辦公室照明范圍約為 320 – 500 勒克斯。對(duì)于低功耗應(yīng)用，另一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是發(fā)生最大功率時(shí)的輸出電壓（VMP）。對(duì)于 Indy4050，VMP 在 1 勒克斯時(shí)為 8.200V，在 2 勒克斯時(shí)為 0.1000V。如果兩個(gè)模塊串聯(lián)，則此最大功率電壓與單節(jié)鋰離子電池非常一致。

小型（物理尺寸和容量）鋰聚合物電池可以從許多來(lái)源找到。我購(gòu)買了電池，但還有很多其他電池?？紤]PowerStream的PGEB016144 3.7V / 200mAh電池。740mWh的容量可以為平均數(shù)百微瓦的負(fù)載供電數(shù)千小時(shí)，使太陽(yáng)能電池板有足夠的機(jī)會(huì)為電池充電。它只有 1 毫米× 44 毫米× 61 毫米。此外，兩個(gè)串聯(lián)的G3i太陽(yáng)能模塊的6.4 - 0.24V最大功率電壓與電池所需的充電電壓非常吻合。

這似乎是一個(gè)很好的解決方案，但仍存在一些關(guān)鍵的電源管理問(wèn)題。兩個(gè)模塊的開(kāi)路電壓在 5 lux 時(shí)約為 1000V，足以損壞電池。此外，變化的電池電壓需要調(diào)節(jié)至3.3V。鑒于太陽(yáng)能電池板可用的低功率和電池提供的能量存儲(chǔ)量，剩余的電源管理功能需要盡可能少的靜態(tài)電流至關(guān)重要。

凌力爾特的 LTC4070 并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)和 LTC3388 高效率毫微功耗降壓型穩(wěn)壓器出色地滿足了這些要求。有關(guān)最終應(yīng)用原理圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖2。當(dāng)一個(gè) 3.7V 的電池電壓且采用 3.3V 電源無(wú)負(fù)載時(shí)，LTC4070 和 LTC3388 的組合靜態(tài)電流僅為 1.2μA！實(shí)際上，光伏電池產(chǎn)生的每個(gè)電子都會(huì)進(jìn)入電池進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖2.LTC4070 和 LTC3388 能量收集系統(tǒng)

我在不使用LTC3388的情況下運(yùn)行了這種配置兩天多，以驗(yàn)證性能。為了代替LTC3388，我只需直接在電池上加載一個(gè)4kΩ負(fù)載（略低于1mA – 接近4mW），并將設(shè)置留在外部。在測(cè)試的所有52小時(shí)內(nèi)，雨幾乎都是穩(wěn)定的 - 在雨中休息了幾次，但從來(lái)沒(méi)有陽(yáng)光。即使在這些不利條件下，很明顯電池是凈充電的。通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，我相信這個(gè)~4mW的恒負(fù)載應(yīng)用可以用更小的太陽(yáng)能模塊和更少的電池容量供電。這是數(shù)據(jù)（這里沒(méi)有花哨的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我只是走到設(shè)置并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了幾個(gè)點(diǎn)）：

圖3.為電池充電

那么為什么我只運(yùn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn) 52 小時(shí)呢？好吧，我是大盜竊的受害者（好吧，也許它不符合“大”的法律定義，但在我看來(lái)它是盛大的）。我決定在周末把我的設(shè)置留在外面，不安全，在眾目睽睽之下。到周一早上，它已經(jīng)消失得無(wú)影無(wú)蹤?？傊凸β使夥a(chǎn)品確實(shí)可以以極高的效率使用（在糟糕的太陽(yáng)能到電力效率達(dá)到之后 - 我對(duì)此無(wú)能為力）。關(guān)鍵是使用盡可能少的IC，并確保這些IC用盡可能少的電子完成工作。另一個(gè)關(guān)鍵是將太陽(yáng)能電池板與儲(chǔ)能元件相匹配。如果儲(chǔ)能元件迫使太陽(yáng)能電池板始終在其最大功率電壓或接近其最大功率電壓下運(yùn)行，則不需要花哨的MPPT算法。

審核編輯：郭婷