引言

太陽能看似是“免費”的可再生能源，但實際上，要想將撞擊電子轉變成可利用的資源，需要嚴謹的設計方案、先進的電子設備以及精密的電池充電/放電管理系統。太陽能應用十分廣泛，主要分為以下三大場景：

數據記錄和物聯網的能量采集系統，功率在毫瓦范圍內，輸出為低壓直流；

作為家庭或遠程裝置的主電源、備用電源或補充電源，通常可進行電力傳輸，功率在百瓦至千瓦之間，輸出為交流線電壓；

作為電網一部分的發電系統，固定在適當位置，功率達到幾十萬千瓦，輸出為數千伏交流電。

盡管能量采集應用可能會忽略顯示器等很多面向用戶的模塊，但帶有無線鏈路的太陽能裝置仍需要大量的附加功能，如圖1所示。從大的方面來看，電力子系統可能只是一個很小的設計，但實際上并非如此。它擁有以下功能和模塊：與太陽能電池連接并從中捕獲能量的前端；將能量引導至存儲單元（電池或超級電容器）的電源管理功能，以及控制從存儲單元提取能量的電力負荷管理模塊。系統先捕獲可用的能量（焦耳），然后以功率（瓦特）的形式將其釋放出來，以滿足負載需求。[功率是運行負載所需的能量利用率；但以能量（即功率對時間的積分）的形式被捕獲。]

圖1：對于物聯網來說，一個完整的太陽能供電系統由許多功能塊組成; 但用作備份或備用電源時，不需要功能塊（如傳感器和射頻鏈路）(圖源：貿澤)

事實上，我們需要了解能從太陽中提取多少能量。到達地球大氣層頂部的平均太陽輻射量約為1kW/m2或0.1W/cm2。

即使在晴天，也只有一小部分輻射能夠穿越大氣層到達地面，而太陽能電池的效率只有15-20％，因此樂觀的估計，太陽能電池釋放出的可利用能量約為10mW/cm2。再加上捕獲、存儲和輸出轉換的損失，太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當低，這還不包括夜晚、多云、季節性輻射和經緯度等因素的影響。

由此看出，尤其是在mW采集應用（不必擔心I2R損耗）中，非常有必要將整個太陽能發電系統的損耗降至最低。這種優化對于前端的挑戰尤為突出，太陽能電池的功率輸出必須在這里被提取并采集。這是因為任何損失或低效率在這之后都無法彌補，撞擊的太陽能也將永遠消失。

通過功率點追蹤來提升效率

大多數傳統能源（電源）作為具有固定參數（如內阻）的電流或電壓源表現相對較好，而太陽能電池則具有不尋常的特性，需了解這些特性，以便盡可能多地捕捉其輸出。設計者的目標是從太陽能電池獲得最大功率，而不管輸出電壓和電流，因為這兩個量都會隨著工作條件的變化而變化。

在一組給定的工作條件下，會有一個稱為最大功率點 (MPP) 的獨特“工作點”，此時電池輸出功率（即V × I）最大。要提取功率，電池負載（即連接電路的電阻）必須與電池的特征電阻相匹配。

這種匹配情況類似于需要將任何電源與負載匹配以實現最大功率傳輸，例如功率放大器的輸出阻抗與負載天線之間，或天線與射頻前端之間。在大多數情況下，源阻抗和負載阻抗參數是相對恒定的，因此可以看作是一個固定電路（在某些應用中，特別是高性能射頻應用中，需要考慮到因自熱和環境條件，某些參數會隨溫度而變化）。

然而，太陽能電池的工作條件從來都不是恒定的，并且由于照明、電池溫度、電池壽命和其他因素的變化而反復變化。因此，太陽能系統必須動態改變電池負載以獲得最大效率，這種技術稱為最大功率點追蹤 (MPPT)。有效的MPPT可以通過帶有電阻負載線和最大功率線的電流-電壓以及功率-電壓關系傳統圖表來實現，如圖2a和圖2b所示。

圖2：a)和b)分別顯示了復雜的光伏陣列電流-電壓以及功率-電壓曲線；負載線和最大功率點是找到最高效率的關鍵（來自紐卡斯爾大學電力電子、驅動和機器研究小組）

MPPT可以通過幾種方法實現：對于“擾動觀察”法來說，前端電路的阻抗來源于“擾動”，因此需要監測輸出；如果功率增加，繼續依相同方向調整電壓，一直到功率不再增加為止。這是許多優化方案尋找最大值/最小值的標準方法。其他方法包括通過使用掃描電流或電壓驅動來確定電池的內部參數，從而操縱電池的跨導。每種方法都有利弊，例如在尋求MPP時可能出現過度振蕩或“擺動”，或在試圖對MPP中相對快速的變化作出反應時出現次優性能。

MPPT實現方法

無論選擇何種MPPT算法，都可以通過專用IC以硬件的形式實現，或作為系統微控制器編程的一部分以固件（軟件）的形式實現。雖然后一種選擇提供了極大的靈活性和微調甚至更改MPPT算法的能力，但也可能會增加系統負擔，因此與固定功能IC相比，需要更高速、更耗電的處理器。與幾乎所有的工程決策一樣，在選擇MPPT算法時也需要進行權衡，還要考慮到主要成本或功率增量的閾值。

對于小型采集系統，通過專用IC實現單個MPPT通常具有較高的成本效益和效率；對于分布在較大區域（甚至是只有幾平方米）的多單元陣列，可能需要為每個單元分區提供單獨的MPPT，因為每個單元和分區可能具有不同的特性。所以要根據太陽能陣列的大小、功率等級和所需的靈活性（或者根本不需要考慮），來選擇是使用具有專用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子系統IC，還是基于固件的MPPT處理器。

此外，還可借助完全可編程的控制器來進一步提升復雜性和靈活性，如來自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高壓隔離太陽能MPPT開發套件。這套完整的評估板（圖4）用于輸入為200-300VDC且功率高達500W的大功率系統。它采用C2000系列中的Piccolo F28035處理器，并具有用于最大功率點追蹤的兩相交錯升壓級和半橋諧振LLC隔離級，這兩個級別可通過單個MCU實現數字控制。設計人員可以通過增量電導法或擾動觀察法來選擇MPPT，進而在應用中測試這兩個方法及有效性。

此套件內置USB JTAG仿真功能，因此無需外部硬件，同時還包括可快速上手的圖形用戶界面。所有硬件和軟件均提供完整的文檔記錄，并開放源碼供設計使用。該評估板彌補了TI TMSHV1PHINVKIT的不足; 它們的結合形成了一個完整的DC-AC太陽能供電逆變器系統。

中等規模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。該IC是一系列增強型核心器件之一，具有NCO（數控振蕩器）、CWG（互補波形發生器）或CLC（可配置邏輯單元）等外圍設備。Microchip在其應用筆記中提供了詳細信息，包括MPPT流程圖和相關代碼模塊[參考文獻1 (AN1467)和2 (AN1521)]；兩者都可以與PIC設備一起使用，而流程圖可以單獨用作任何處理器編程工作的指南。

對于電子電路來說，從小型物聯網到大型備份、甚至是主電源，太陽能由于其免費、永不耗竭的優勢，具有巨大的吸引力。然而，現有可供利用的太陽能只是一小部分，所以任何設計都必須注重其前端效率（如MPPT問題），從而使這種方法在經濟上合理，技術上可行。當然，無論設計師選擇專用前端IC還是完全可編程、基于處理器的設計，都取決于太陽能電池陣列的大小、物理布局、所需的模塊化程度和成本。

審核編輯：郭婷