【技术专辑】电路设计师的太阳能设备光伏电池指南

本文介绍了太阳能电池的等效电路,并讨论了一些实现细节。

 

在地球上发现的惊人丰富的生命需要相应的丰富能量。这并不是什么新鲜事,但现代世界的情况有点不同,因为人类 - 与植物相比,吃植物的动物,吃吃植物的动物的动物 - 对能量不满意。太阳辐射的形式。我们想要电力,还有很多电力。

 

因此,毫不奇怪,直接从阳光发电的想法是如此吸引人。如果我们只用地球的原始能源为我们的现代生活加油,那不是很好吗?事实上,如果我们真的尝试了这一点,阳光 - 电力转换的固有局限性将会导致一些严重不受欢迎的生活方式调整。

 

幸运的是,为一个小型电子设备供电比为整个世界供电要容易得多,特别是当该设备采用通常与延长电池寿命相关的低电流,节能设计技术而不是使太阳能更加兼容时。但在我们开始设计太阳能PCB之前,我们应该尝试理解1)太阳能电池在电路设计中究竟是什么,以及2)太阳能电池如何与负载元件相互作用。

 

等效电路

 

如果您想仔细分析包含太阳能(也称为光伏或PV)电池的电路的行为,您需要使用“等效电路” - 您需要用一组基本组件替换电池产生类似的电气行为。这是太阳能电池的等效电路:

 

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这里的想法是太阳能电池产生对应于光强度的内部电流。然而,并非所有这些电流都可用于负载,因为一些电流流过并联二极管(回想一下,使用pn结实现光电转换),一些电流流过并联电阻(R P)。

 

当不存在负载电阻时,太阳能电池的端子处可用的电压由电流源与并联二极管和并联电阻的相互作用确定。这被称为“开路电压”。如果电池正在提供负载电流,则端子处的电压将低于开路电压,因为一些电压在串联电阻(R S)上下降。

 

电压源或电流源?

 

您可能习惯于将太阳能电池视为与电池类似,只是“电池”电压根据光强度而变化。然而,等效电路使PV电池看起来像电流源而不是电压源。这可能相当尴尬,因为我们都习惯于使用电压源而非电流源为电路供电。

 

太阳能电池实际上不是我们通常认为的电压源或电流源,但它可以以典型的电压源方式为电路供电。等效电路中的附加组件表明内部电流源不与负载组件直接相互作用。此外,该单元将总是因为内部产生的电流流过内部二极管和R产生的电压(即使没有任何连接到端子)P。

 

但是,如果您选择将太阳能电池视为电池,请记住它是一个相当平庸的电池。首先,电压高度不可预测。举个例子,考虑这个开路电压与辐照度的关系图:

 

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这是从 IXYS制造的紧凑型表面贴装太阳能电池的数据表  (PDF)中获得的。我最近设计了一个太阳能微控制器板,这是我使用的太阳能电池。

 

室内环境中的辐照度可能是10或20 W / m 2,户外阳光直射可能会达到900 W / m 2。因此,如果您将设备从车库带到后院,电路的电源电压可能会从3.5 V跳到4.6 V.

 

第二个问题是内部串联电阻很大。换句话说,电池提供电流的能力非常有限。IXYS单元最大功率为4.4 mA,不适合驱动电机或LED阵列,但对于低频运行的微控制器来说已经足够了。

 

在我们继续之前,我应该提到太阳能电池可以以有利于电压或电流的方式制造:通过用一个pn结填充可用区域来获得高电流容量,并且通过分割区域获得更高的电压多个连接点并将它们串联连接。我在设计中使用的IXYS单元有利于电压,但同一部件的另外两个版本提供更高的电流(和更低的电压)。

 

峰值功率

 

制造商可以通过改变器件的物理配置来控制电流和电压特性,但增加功率并不容易,这是太阳能电池可以实现的真实表现。

 

通过查看单元的电流 - 电压特性,您可以识别出功率最佳点,用P SS表示(嗯,这不是官方符号,但它应该是)。这是电池以最大功率运行的点。例如:

 

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在此示例中,红色曲线是功率,蓝色曲线显示电池在给定负载电流下提供的电压。您可以看到,当电池端子的电压为3.4 V时,可以获得最大功率。该图还显示,在最大负载电流下工作不是从落在太阳能电池上的太阳光中提取最大功率的好方法; 在该特定产品的情况下,最大和接近最大功率的区域对应于约2.7V至3.7V的电压范围,或对应于约3.3mA至4.3mA的电流范围。

 

结论

 

我们研究了光伏电池的等效电路,并讨论了光伏器件产生的电压的一些重要特性。关于这一主题还有更多可以说的内容,但我希望本文能够很好地介绍将太阳能电源纳入电子设备的实际方面。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计