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使用MCU或片上系統(tǒng)(SOC)可以簡便地提高太陽能板的效率
今天，人們比以往任何時候都更關(guān)心礦石燃料排放和傳統(tǒng)發(fā)電和可再生能源所導(dǎo)致的環(huán)境問題。在可再生資源中，主要是太陽能板和風(fēng)力發(fā)電。他們的優(yōu)勢是可保持并且無污染，但他們的安裝成本較高，并且在大多數(shù)應(yīng)用中，他們的負(fù)載接口需要電源調(diào)節(jié)器(dc/dc 或dc/ac轉(zhuǎn)換)。光電模塊(PV模塊)還有相對較低的轉(zhuǎn)換效率。
使用高效率電源調(diào)節(jié)可以減少整體系統(tǒng)成本，旨在從PV模塊提取最大限度的能量(使用最大功率點追蹤技術(shù)--MPPT)?，F(xiàn)有的面板系統(tǒng)也存在缺點，一整天只能導(dǎo)向一個方向，不能總是直接面對太陽光。
在這篇文章中，我們將討論的技術(shù)是，如何在系統(tǒng)級提高太陽能面板效率，包括太陽能電池板最大受光定位，最大限度地從太陽能板提取現(xiàn)有電力，以及智能電池壽命管理。
框圖
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圖1.框圖
我們從框圖中可以看到，該系統(tǒng)的主要部件是一個MCU或一個片上系統(tǒng)(SoC)。系統(tǒng)的全部智能都來源于這顆芯片，它是可重構(gòu)和可升級的。在太陽能面板中，兩個光電二極體保持與面板平面垂直，其輸出反饋到MCU(MCU)。這些二極管和直流電機確定面板方位。根據(jù)二極管輸入，MCU控制直流馬達(dá)使太陽能電池板定位到可以收到最大光的方向。這兩個用于陽光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的，這意味著通過這些二極管的反向電流隨入射光而變化。在白天，反向電流在10uA和 75uA之間變化。逆向暗電流(當(dāng)沒有光線入射光電二極體)只有幾nA。
跨阻放大器(TIA)用于將反向電流轉(zhuǎn)換成等效電壓。放大器的增益使用反饋電阻設(shè)置。光電二極體經(jīng)常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯(lián)反饋電容，從而保證穩(wěn)定性并提供帶寬限制減少寬帶噪聲。TIA的輸出電壓Vout，由下列公式?jīng)Q定:
這里Rfb是電阻反饋，Iin是二極管電流，Vref是連接到運算放大器正極的參考電壓。
輸出電壓是使用一個片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的。由于反向電流很小(數(shù)十uA)，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓。每一個傳感器的輸出要經(jīng)過固件IIR濾波器濾波，清除任何光強度的突然變化。系統(tǒng)中使用一個ADC可測量到多個電壓。兩個二極管對應(yīng)的數(shù)字化值不斷地比較。如果兩個值之間的差異在一個預(yù)定的門限內(nèi)，面板位置保持不動。如果差超過門限，面板朝強度高的方向傾斜，直到差進(jìn)入門限范圍內(nèi)。這樣我們就可以定位面板朝最大光強度的方向。
直流電機使用MCU產(chǎn)生的PWM信號來驅(qū)動。PWM占空比決定電機旋轉(zhuǎn)速度。保持占空比較低，這是為了有緩慢而精確的運動。隨著面板定位好自身方向接受最強光，PWM占空比逐漸降低。一個可行的案例是一個65535 step的16位PWM。采用這樣小的step，就可以從黎明到黃昏都能準(zhǔn)確地追蹤陽光。
電機運動時電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來驅(qū)動電機。要有一個電機驅(qū)動芯片來增大。驅(qū)動有H橋結(jié)構(gòu)，其允許電機電流方向的數(shù)字控制，因此電機方向也可控制。驅(qū)動可以提供1A的電流。還要注意，跟蹤機制是這樣的，電機是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖。因此，驅(qū)動電機的平均電流相當(dāng)小。
有兩個開關(guān)連接到MCU。這些開關(guān)當(dāng)面板旋轉(zhuǎn)到極限位置(東和西)時觸發(fā)，他們決定面板的最大旋轉(zhuǎn)限度。在MCU上有一個輔助實時時鐘，其保持時間跟蹤，所以一旦太陽下山，光強明顯變?nèi)醯臅r候，面板重新回到初始位置，面向東方。第二天，面板接著追蹤太陽并處理。
最大功率點跟蹤
圖2顯示了光電模塊的等效電路。太陽能電池可以看作電流源，其和一個二極管并聯(lián)。在沒有光時，沒有電流產(chǎn)生，它表現(xiàn)為一個二極管。當(dāng)有光線入射到太陽能電池時，電流產(chǎn)生。
正常操作下，太陽能電池的效率會由于其內(nèi)阻損失功耗而降低。寄生電阻由并聯(lián)分流電阻 (Rsh)和串聯(lián)電阻(Rs)構(gòu)成。理想情況下，Rsh應(yīng)該是無窮大，因此不會有路徑讓電流分流，Rs應(yīng)該零，這樣不會在到達(dá)負(fù)載之前有電壓降。
研究發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電阻Rs的值隨溫度升高而增大。為了使用效果比較好，就需要有一個較低的串聯(lián)電阻Rs。因此，在較高的環(huán)境溫度下，面板效率會降低，如沙漠。而在寒冷的國家，串聯(lián)電阻的值比較小，效率會更高。
在該系統(tǒng)中，用于充電的電池是負(fù)載RL。它可能使太陽能面板誤認(rèn)為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉(zhuǎn)移最多電荷。這也可以能通過改變太陽能面板的運行點實現(xiàn)，解釋見下文。
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圖2 PV模塊等效電路
PV模塊的典型V-I輸出特性見圖3。研究表明，溫度變化是影響PV輸出電壓變化的主要因素，而輻射主要影響PV輸出電流。隨著照明增加，電流增大，此特征更明顯。負(fù)載線和PV模塊V-I曲線(指定溫度和輻照下)的交匯點決定運行點。產(chǎn)生的最大功率基于不同大氣條件下負(fù)載線的調(diào)整。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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