可再生能源可能是一項(xiàng)昂貴的工作，光伏系統(tǒng)也不例外。地面和屋頂安裝框架必須足夠堅(jiān)固以應(yīng)對(duì)極端天氣和條件，即使沒(méi)有跟蹤也可能非常昂貴。

如果您使用蓄電池，則需要花費(fèi)大量的初始費(fèi)用和每隔這么多年的更換成本。從積極的方面來(lái)說(shuō)，鉛酸電池中90％的材料是完全可回收的。充電器和逆變器也不便宜。

面板是最大的費(fèi)用。幸運(yùn)的是，隨著更高的制造能力上線，光伏電池板的價(jià)格開(kāi)始下降，但尚未達(dá)到大規(guī)模部署的水平。

2008年，1000美元/千克硅的價(jià)格保持了每瓦3至4美元的面板。將硅生產(chǎn)能力的增長(zhǎng)與全球經(jīng)濟(jì)放緩相結(jié)合，使價(jià)格降至40美元/公斤水平，這意味著我們可能很快就會(huì)達(dá)到令人垂涎的每瓦特一美元的價(jià)位，許多人認(rèn)為這將使光伏太陽(yáng)能在非公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中 - 可再生能源技術(shù)。我們現(xiàn)在每瓦約1.50美元。

要達(dá)到高級(jí)別部署的水平，投資回報(bào)必須更快。太陽(yáng)能電池板的低成本承諾是提高投資回報(bào)的一個(gè)因素。另一個(gè)是由于使用微型逆變器而改變了光伏系統(tǒng)的架構(gòu)。無(wú)論哪種方式，更有效利用太陽(yáng)能的電子產(chǎn)品市場(chǎng)即將爆發(fā)。

改變格局

微型逆變器正在改變可再生能源系統(tǒng)的格局。通過(guò)并網(wǎng)面板，您可以為智能電網(wǎng)提供能源，更輕松地成為能源生產(chǎn)商和用戶(hù)。

對(duì)并網(wǎng)面板最大的吸引力在于您不再需要購(gòu)買(mǎi)，維護(hù)和使用蓄電池組和逆變器。相反，能量直接進(jìn)入電網(wǎng)。

在不利方面，如果您失去動(dòng)力，您將無(wú)法使用電池組的備用容量來(lái)保持設(shè)備的供電，尤其是在高度動(dòng)態(tài)和不一致的陽(yáng)光下。

由于承諾降低水電費(fèi)并降低投資成本，綠色運(yùn)動(dòng)可能會(huì)有牙齒。為此，需要能夠從廣泛的太陽(yáng)能條件中提取盡可能多的可用能量的電子電路。

這意味著太陽(yáng)能拓?fù)湔诎l(fā)生變化。隔離二極管不再是組合多個(gè)面板的方法（見(jiàn)圖1A），每提取一焦的能量都可以提高性能系數(shù)。現(xiàn)在，每個(gè)面板或一系列面板都有自己的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以盡可能高效地獨(dú)立提取能量，以便將其饋送到微型逆變器（見(jiàn)圖1B）。

圖1A：僅使用保護(hù)二極管來(lái)連接多個(gè)太陽(yáng)能電池板的舊的簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)不再有效。

圖1B：當(dāng)每個(gè)面板或一系列面板都有自己的微型逆變器時(shí)，每個(gè)太陽(yáng)能電池板都可以為智能電網(wǎng)提供最大的能量。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是使用開(kāi)關(guān)電源電路，以便在您希望從太陽(yáng)能電池板或一系列電池板看到的各種條件下高效運(yùn)行。因此，這是一個(gè)兩步過(guò)程。第一種是從可用的太陽(yáng)能電池中提取最大量的能量，以創(chuàng)建能量“池”。該池用于創(chuàng)建并網(wǎng)逆變器，該逆變器改變其相角以向線路提供電力。

本文討論了一些可用于從變化的輸入電壓中有效提取功率的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器器件，例如太陽(yáng)能電池板。

開(kāi)關(guān)打開(kāi)

大多數(shù)情況下，有三種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池板可供選擇。這些是多晶（許多晶體連接在一起），單晶（單個(gè)級(jí)聯(lián)晶體）或非晶（硅沉積在玻璃上）（見(jiàn)圖2）。雖然這些選擇的特性，效率和成本會(huì)有所不同，但它們都只是兩個(gè)產(chǎn)生電壓和電流的終端設(shè)備。

圖2：多晶太陽(yáng)能電池分別采用標(biāo)簽和接線方式。 Mono Crystalline是一種連續(xù)晶體，Amorphic太陽(yáng)能電池是玻璃上的薄沉積物。

典型的單結(jié)硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)生約0.5至0.6伏特。電池的電壓通常與其尺寸無(wú)關(guān)。此外，隨著光強(qiáng)度的變化，電壓不會(huì)發(fā)生太大變化。不同光強(qiáng)度的變化是電池可以產(chǎn)生的電流（見(jiàn)圖3）。

圖3：光伏產(chǎn)生的電壓細(xì)胞保持不變。隨著光強(qiáng)度增加的電流。

由于太陽(yáng)能電池板由單獨(dú)的面板組成，這些面板串聯(lián)起來(lái)以獲得更高的電壓并且并聯(lián)以獲得更高的電流，因此可以形成任何容量電池或系統(tǒng)。通常，您會(huì)看到具有12伏，18伏和24伏額定輸出的舊面板。電流容量也可以在100mA至20A或更低的范圍內(nèi)變化。這是一個(gè)很大的范圍。

較新的面板現(xiàn)在通常為48 V或更高。這可以稍微提高效率，因?yàn)檩^少的線路IIR功率損耗將功率從電池移動(dòng)到能量提取器。這還可以降低成本，因?yàn)閷㈦姵剡B接到功率調(diào)節(jié)器所需的導(dǎo)線可以更薄。這對(duì)于使用微型逆變器來(lái)說(shuō)不那么重要，因?yàn)樗鼈兺ǔ７浅？拷?yáng)能電池。

由于太陽(yáng)能條件不同，從黃昏和陰天到太陽(yáng)直射都會(huì)改變太陽(yáng)能電池板的輸出電流（太陽(yáng)的入射角和太陽(yáng)能電池板的溫度），對(duì)于能量提取器來(lái)說(shuō)非常重要即使在存在非常小的太陽(yáng)輻射的情況下，也能在很寬的條件下以良好的效率運(yùn)行，以向電網(wǎng)提供可用的電力。這是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)光的地方，因?yàn)榫€性和低壓差穩(wěn)壓器會(huì)浪費(fèi)太多功率。

尺寸問(wèn)題

您希望處理的功率量決定了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的可用選擇。輸入電壓限制以及輸出范圍將決定感興趣的部件。

為了幫助適應(yīng)更新的高壓面板，可以使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的SM72485 SolarMagic?開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。它具有6至95伏的寬工作范圍。它是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SolarMagic系列產(chǎn)品系列的一部分，旨在實(shí)現(xiàn)可再生能源收集，如光伏太陽(yáng)能。

SM72485專(zhuān)為PV智能接線盒，太陽(yáng)能電信電源和42伏新興汽車(chē)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，包含一個(gè)內(nèi)部100伏N通道降壓穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)晶體管。輸出電壓由兩個(gè)外部編程電阻決定，該電阻為調(diào)節(jié)比較器提供內(nèi)部2.875伏參考電壓。它使用可變占空比，與輸入電壓成反比，處理短路保護(hù)以及熱和過(guò)壓。

這款SM72485非常適合從太陽(yáng)能電池獲取能量并創(chuàng)建中級(jí)能量池，可以驅(qū)動(dòng)其他電路，或用于驅(qū)動(dòng)小型微型逆變器。輸出電壓可在2.5伏或更高的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，獨(dú)立調(diào)節(jié)器只需很少的外部元件（見(jiàn)圖4）。

圖4：SM72485只需極少的外部元件，使其成為空間受限設(shè)計(jì)的理想解決方案（Courtesy National Semiconductor）。

對(duì)于需要產(chǎn)生更高輸出電流的12和24伏系統(tǒng)，凌力爾特公司的LT1270高效降壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 3.5至30伏的輸入范圍并不適合36伏和48伏電壓板，但小于8安培的容量對(duì)于單芯片高效率轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)并不錯(cuò)。還存在十安培‘A’版本。

LT1270采用電流模式切換技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率為60 KHz。它可以采用降壓，升壓或反激配置，高電流開(kāi)關(guān)集成在可散熱的TO-220-5引腳封裝中。這使它易于使用。

凌力爾特LT3957是另一個(gè)填補(bǔ)能量池的好方法。 LT3957具有3至40伏的稍高輸入電壓范圍，在更高的輸出電流下可實(shí)現(xiàn)95％的效率額定值（見(jiàn)圖5）。

圖5：LT3957在更高的輸出電流下保持高效率（Courtesy Linear Technology）。

可以通過(guò)100 KHz至1 MHz的外部電阻設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。 LT3957還具有同步引腳，可以幫助將此部分與外部時(shí)鐘同步。內(nèi)部N溝道功率MOSFET可在5安培下處理高達(dá)40伏的電壓，為驅(qū)動(dòng)微型逆變器，設(shè)備或充電器提供大量潛在電力。

STMicroelectronics L4970A是另一種可以制造出良好能量提取器的高電流部件。該10安培輸出容量器件使用0％至90％的開(kāi)關(guān)占空比產(chǎn)生高達(dá)40伏的輸出。 L4970A具有輸入和輸出同步引腳，采用內(nèi)部隔離DMOS功率晶體管，與CMOS和雙極晶體管混合，可提供最佳性能。

查看Digi-Key網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)表，找到一個(gè)測(cè)試和評(píng)估參考設(shè)計(jì)，在10安培輸出時(shí)只有30 mV的紋波，同時(shí)保持83％的整體效率。當(dāng)結(jié)溫升至150攝氏度以上時(shí)，熱保護(hù)會(huì)禁用電路，并且滯后功能可防止可能發(fā)生的不穩(wěn)定的開(kāi)/關(guān)振蕩。

尋找最佳位置

當(dāng)從太陽(yáng)能電池板汲取過(guò)多電流時(shí)，輸出電壓會(huì)急劇下降（見(jiàn)圖6）。可以提取最大功率的點(diǎn)稱(chēng)為最大功率點(diǎn)。雖然太陽(yáng)能電池板可以固定而不跟蹤太陽(yáng)，但最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器用于從太陽(yáng)能電池中獲取最大功率。

圖6：最大功率點(diǎn)是所吸取的電流使電壓幾乎保持在峰值水平的位置。任何更多和輸出直線下降。

這項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)使用算法方法來(lái)感知最大功率提取點(diǎn)，并控制充電控制器將電力輸送到電池，或者創(chuàng)建可供電池使用的能量池。微逆變器。

MPPT不僅僅是一臺(tái)狀態(tài)機(jī)，通常作為基于微控制器的專(zhuān)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。恩智浦半導(dǎo)體推出MPT612 MPPT IC。這是一款基于ARM?的處理器，根據(jù)恩智浦的設(shè)計(jì)，可以從太陽(yáng)能電池板中提取高達(dá)98％的能量。

MPT612使用專(zhuān)利算法，該算法在內(nèi)部ARM7TDMI-STM RISC處理器上實(shí)現(xiàn)。它以70 MHz的頻率運(yùn)行，控制調(diào)節(jié)器的外部開(kāi)關(guān)，用作電池充電器或微型逆變器。該設(shè)備也支持燃料電池應(yīng)用。

32位流水線處理單元具有32 KB的片上閃存，用于固件和8 KB的靜態(tài)RAM。處理器使用標(biāo)準(zhǔn)的16位Thumb約定來(lái)減少代碼和內(nèi)存要求。

MPT612使用1.8伏內(nèi)核消耗100 mA，具有5 V容差的3.3 V I/O.該芯片只能與MPT612軟件堆棧和API一起使用。該公司還提供基于上下文的參考手冊(cè)，以幫助部署和了解其使用和操作。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有一個(gè)名為SM72442MT的MPPT設(shè)備。據(jù)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司稱(chēng)，這是另一款SolarMagic級(jí)設(shè)備，其效率達(dá)到99.5％。它使用National自己的專(zhuān)有算法Panel Panel，它輸出四個(gè)PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，形成一個(gè)四開(kāi)關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。 8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，以提供1/100秒的快速收斂時(shí)間，即使在不斷變化的太陽(yáng)能條件下，控制器也能保持高效率。

STMicroelectronics SPV1020還實(shí)現(xiàn)了MPPT。 SPV1020將公司的Perturb和Observe MPPT算法與控制器與DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，在零至45伏的工作電壓范圍內(nèi)也可實(shí)現(xiàn)98％的效率。

一個(gè)很好的特性是集成的SPV1020在片內(nèi)集成了一個(gè)功率MOSFET，用于有源同步整流。這減少了固定頻率（100 KHz）PWM的外部元件數(shù)量，并將占空比從5％增加到90％，增量為0.2％。與其他組件一樣，內(nèi)置過(guò)溫和過(guò)壓停機(jī)。 SPI總線用于允許SPV1020與充當(dāng)主設(shè)備的主機(jī)控制器通信。

STMicroelectronics提供稱(chēng)為STEVAL-ISV005V1的評(píng)估板，可用作300瓦面板的演示板。它實(shí)現(xiàn)了三個(gè)SPV1020，效率高達(dá)98％，是學(xué)習(xí)用于優(yōu)化逆變器功率的四相交錯(cuò)技術(shù)的有效工具。

我們正處于光伏太陽(yáng)能正在達(dá)到大眾吸引力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著稅收優(yōu)惠和折扣仍然可用，太陽(yáng)能有望進(jìn)入我們所有人希望的可再生能源領(lǐng)域。