【技术专辑】电路设计人员针对用于太阳能设备的光伏电池指南

本文介绍了太阳能电池的等效电路并讨论了某些应用细节。

 

地球上生命形式的高度多样性要求同样丰富多样的能源。这并不是什么新鲜事,但是在当今世界中,情况略有不同,因为与植物、以植物为食的动物以及以食草动物为食的食肉动物相比,人类对于以太阳辐射形式存在的能源并不满意。我们希望获得电力,且多多益善。

 

所以,就不难以理解,为什么直接通过日光来发电的想法如此有吸引力。如果我们仅仅通过地球的原生能源就能够为我们的现代化生活提供燃料,那该有多好啊!确实如此,但是如果我们真地进行这方面的尝试,日光转化为电能的内在局限性就会带来一些非常不受欢迎的生活方式调整。

 

幸好,为小型电子设备提供电源比为整个世界供电要轻松许多,采用低电流、高能效的设计技术的设备就尤为如此;上述设计技术通常与延长电池寿命,而非提高产品与太阳能的兼容性相关。但是,在我们全力以赴开始设计太阳能印刷电路板之前,我们应该设法了解1)太阳能电池在电路设计中到底发挥什么作用以及2)太阳能电池如何与负载元件相互作用。

 

等效电路

 

如果您希望认真分析包括太阳能电池(也称作太阳能光伏)的电路的特性,您需要使用“等效电路”——即,您需要用一组能够产生相似电气特性的基本元件来取代太阳能电池。这就是太阳能电池的等效电路:

 

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我们此处的思路是,太阳能电池产生了与光强度相对应的内部电流。不过,并非所产生的所有电流都是可被负载利用的,因为部分电流分流至并联二极管(回想一下,光伏转化是通过pn结来实现的),还有部分电流分流至并联电阻(RP)。

 

当负载电阻不存在的时候,太阳能电池终端的电压是由电源与并联二极管和并联电阻之间的交互作用决定的。这被称为“开路电压”。如果太阳能电池为负载提供电流,终端电压将低于开路电压,因为经过串联电阻(RS)之后电压就下降了。

 

电压源还是电流源?

 

您可能习惯性地认为太阳能电池与电池类似,不同之处只是在于“电池”电压根据光强度发生变化。不过,等效电路使光伏电池看上去更像一个电流源而非电压源。这可能有些尴尬,因为我们一直都习惯于用电压源而非电流源为电路供电。

 

太阳能电池并不是我们通常意义上所讲的电压源或电流源,但是它是通过典型的电压源方式为电路提供电能的。等效电路中的其他元件表明,内部电流源并非与负载元件直接互动。此外,太阳能电池总是能产生一个电压(即便在没有元件与终端连接的情况下也是如此),这是因为,内部产生的电流流经内部的二极管和RP。

 

不过,如果您愿意将太阳能电池看做一个电池的话,那么就要记住它是性能较为普通的电池。首先,其电压是不可预测的。例如,看一下下图中开路电压与辐照度之间的比较:

 

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上图源自IXYS生产的紧凑型表面安装太阳能电池的数据表(PDF)。我最近设计了一个太阳能微控制器板,其中就使用了这种太阳能电池。

 

室内环境的辐照度可能为10或20 W/m2,而户外的直接光照可能达到900 W/m2。所以,如果您将您的设备从车库拿到后院中的话,电路的电源电压可能会从3.5V跃升至4.6V。

 

第二个问题是,内部串联电阻较大。换而言之,太阳能电池供应电流的能力是非常有限的。IXYS电池的最大输出电流为4.4mA——这对于驱动马达或者各种LED都不算理想,但是对于以较低频率运行的微控制器而言是足够的。

 

在我们探讨其他话题之前,我应该提及一下以下情况:即太阳能电池在生产的时候可以倾向于采取电压或电流的方法:通过用一个pn结来填充可用面积获得较高的电流容量,而通过将面积分成多个pn结并将其进行串联可获得较高的电压。我在设计中所使用的IXYS电池倾向于电压,不过该部件的其他两种类型可提供较高的电流(以及较低的电压)。

 

峰值功率

 

厂商可以通过改变设备的物理配置来控制电流和电压特性,但是提高功率则没有那么容易,这里就真正体现了您可通过太阳能电池可达成的效果。

 

通过观察太阳能电池的电流-电压特性,您能够发现功率甜蜜点,用PSS来表示(尽管并不是官方符号,但应该成为)。在这个点上,太阳能电池以最大功率运行。例如:

 

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在本示例中,红色的曲线为功率曲线,蓝色的曲线显示了太阳能电池在给定负载电流情况下所提供的电压。您可以看到,当电池终端的电压为3.4V时,可获得最大功率。上图还表明,以最大负荷电流运行并不是从照射在太阳能电池上的日光获得最大功率的良好途径;针对这一特定产品,最大功率和接近最大功率区域与2.7V至3.7V的电压范围和大约3.3mA至4.3mA的电流范围相对应。

 

结论

 

我们考察了太阳能光伏电池的等效电路,并探讨了光伏设备产生电压的某些重要特性。尽管在这个问题上我们可以开展更多的讨论,但是我希望,本文能够为您提供一个很好的介绍,让您了解将太阳能整合进入电子设备的实践环节。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计