太陽能採收在高度精密的裝置中得到了支援,這些裝置整合了一套完整的功能,以最大限度地將太陽能轉化為電能。工程師們可以通過利用包括模擬裝置、德州儀器和stmicroelectronics在內的能源獲取積體電路製造商的低成本評估工具,快速獲得對這些裝置的更深入了解——以及一般的能源收穫原則。
儘管太陽能光伏電池的概念是直接的,但高效的能源收穫系統的實施依賴於大量的細節。在這些細節中,太陽能光伏板的正確載入至關重要,因為光伏板的最大輸出在光伏板的功率曲線上的乙個精確點上。這個最大功率點(mpp)可以改變在乙個曲線族與各種相關因素,包括光照亮了面板的強度、環境溫度、年齡和健康的光伏電池面板和面板電壓由面板上的負載(圖1)。因此,最有效的能量採集設計採用maximum-power-point跟蹤翻譯(mppt)方法,動態地調整載入在光伏電池在mpp維持其運作。
由面板上的負載確定的面板電壓圖形。
圖1:在影響太陽能轉換的各種因素中,由負載確定的光伏電池或面板電壓可以極大地改變最大功率點。
mppt優化方法可能是複雜的——事實上,mppt演算法一直是學術界和業界研究的課題。儘管如此,專業的能量採集裝置,如模擬裝置adp5090、stmicroelectronics spv1050和德州儀器bq25505提供了整合的mppt功能,可以滿足許多能源採集應用的需要。儘管這些mppt能夠簡化高效的能量收集系統的實現,但它們本身是複雜的裝置,需要仔細關注與它們的配置和操作相關的細節。
專門的能量收集裝置需要很少的外部元件來實現乙個具有mppt的先進的太陽能採集器。事實上,模擬adp5090,聖spv1050和ti bq25505可以用作能量採集電源能夠清除µwatt-level環境**,而向負載提供電源管理和費用管理為可充電電池和超級電容器。例如,只有少量的被動元件,模擬的adp5090可以直接驅動諸如mcus和rf收發器等外部裝置,並與諸如adi的adp161這樣的電壓調節裝置一起工作,以提供像感測器這樣的電壓敏感器件(圖2)。
模擬裝置圖adp5090。
圖2:像模擬裝置adp5090這樣的專門的能量採集裝置需要很少的外部元件來提供完整的太陽能採集設計,包括mppt功能、電源管理和電池充電能力。(由模擬裝置)
每一種裝置都採用類似的方法,利用mpp電壓(vmpp)與太陽能電池或熱電發電機(teg)的開路電壓(voc)之間的恆定線性關係。
方程1常數k依賴於特定的pv單元或面板。通常情況下,太陽能電池在其mpp上,當負載到大約70%到80%的開路電壓和tegs在mpp時,當負載到大約50%的voc時。積體電路製造商使用這種關係,通過乙個簡單的電阻網路將vmpp設定成適當的百分比。例如,模擬adp5090使用一對電阻r1和r2設定vmpp(見圖2,上圖)。使用這種裝置,vmpp = voc×r1 /(r1 + r2),r2在**連線的電阻器vin(voc)翻譯adp5090的mppt銷和r1將翻譯從mppt連線到接地的圖。
在adp5090的正常執行過程中,該裝置將在連線到cbp pin的電容器上的pin mppt上取樣的vmpp參考電壓進行儲存。為了確保取樣的vmpp實際上是太陽能電池的mpp,該裝置周期性地重新整理取樣的vmpp:每19秒,adp5090將其整合的boost調節器進行296毫秒的禁用,並重新取樣開路電壓,從而導致vin的週期性峰值(圖3)。
模擬裝置圖adp5090 vin spike。
圖3:模擬裝置adp5090等mppt裝置的操作可以顯示出微妙的***,如vin的峰值與整合的mppt演算法相關聯的voc取樣。(由模擬裝置)
雖然mppt的抽樣特性是adp5090功能能力的乙個重要方面,但mppt只是其中之一。對於乙個工程師採用能量收穫尋找充電電池或其他驅動電路,裝置如adp5090包括一組複雜的功能,包括促進監管,負責管理、備用電源,和一組不同的訊號如pgood表明可用功率,最小功率操作級別,和電源的選擇,和其他很多。
模擬裝置adp5090-2- evalz評估套件提供了乙個完整的能量採集系統,讓工程師可以推遲對adp5090配置問題的深入理解,轉而專注於其用於能量採集、電池充電和電源管理的功能。實際上,該元件包括圖2所示的全部元件(包括adp161電壓調整器,但不包括圖中所示的mcu或adf7***射頻收發器)。例如,翻譯工具完全配置為mppt,使用值r1 = 18 mω和r2 = 4.7 mω提供設定vmpp voc的80%。
為了評估使用bq25505裝置的能源收穫,德州儀器bq25505evm提供了一套跳線,允許工程師輕鬆地將vmpp/voc比率設定為幾個預設值。類似於模擬adp5090, ti bq25505樣品vmpp的乙個固定比例的voc由乙個電阻網路設定。在ti評估套件中,工程師可以使用該板的跳線來輕鬆地將太陽能電池的比例設定為80%,或以50%為標準。
除了使用適當的電阻器來設定vmpp/voc比,能量轉換的效率還依賴於合適的電容和電感器的選擇,這些電容和電感通常用來提高從低功率源獲取能量的設計的電壓水平。為了促進轉換的正常執行,電感值必須足夠允許至少30%的邊緣,通常高於預期的峰值感應電流。
同樣,輸入電容的選擇是至關重要的,選擇不當會極大地影響效率。例如,在stmicroelectronics spv1050所使用的400毫秒的取樣時間內,輸入電容cin由能量源充電,其時間常數由電容和源的等效電阻決定。如果電容太高,電容器不得帶電400毫秒的時間視窗內,因此翻譯影響mppt精度和整體轉換效率(圖4)。通過使用聖steval-isv020v1評估工具,然而,工程師們正在向乙個正確配置spv1050-based能量採集設計優化能源開採環境**的能力。
stmicroelectronics spv1050 mppt錯誤圖。
圖4:電阻、電感和電容的適當大小對於確保最大的能量收集效率至關重要。在此,對於st spv1050能量採集積體電路的輸入電容過大,可能導致mppt錯誤和效率損失。凱利訊半導體
專門用於從太陽能和其他能源中獲取能量的專用裝置,如模擬裝置adp5090、stmicroelectronics spv1050和德州儀器bq25505提供了包括mppt優化、充電管理和備份電源功能在內的複雜功能。對於能夠充分利用其全部功能的設計人員來說,這些裝置提供了大量的好處,可以建立非常複雜的能量收集應用程式,而且幾乎沒有其他元件。隨著基於這些裝置的評估工具的可用性,工程師不僅可以對這些裝置有更深入的了解,而且還能對一般的能源收穫原則有更深入的了解。
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