使用低功率太阳能电池板进行能量收集-太阳能电板的能量转化

随着全球能源需求继续推动油价上涨，所有应用领域的设计工程师都在研究利用“免费”能源的技术。光伏太阳能电池提供最常见的替代能源。关于最大功率点跟踪（MPPT）算法已经进行了无数的文章和研究，以从太阳能中提取尽可能多的能量。然而，这些技术太复杂，太昂贵，坦率地说，需要太多的能量才能对低功率太阳能应用多大用处。

考虑一个需要3.3V电源轨的应用，提供仅几十微瓦的平均功率，峰值功率达到几十毫瓦。例如，这可以是间歇运行的远程无线传感器、酒店门锁、工业控制设备等。该设计将考虑能量收集装置（太阳能电池板），储能装置（电池），电池充电器和电压转换器。

图1.能量收集电池充电器

许多制造商生产低功率光伏设备，包括松下的G24i，IXYS和Amorton系列。我对G24i产品有一些经验，所以我将重点介绍他们的染料敏化光伏模块。Indy4050 面向室内应用。其3050mm2在 90 勒克斯时提供约 200mW 的功率，在 465 勒克斯时提供 1000mW 的功率。请记住，典型的办公室照明范围约为 320 – 500 勒克斯。对于低功耗应用，另一个关键规格是发生最大功率时的输出电压（VMP）。对于 Indy4050，VMP 在 1 勒克斯时为 8.200V，在 2 勒克斯时为 0.1000V。如果两个模块串联，则此最大功率电压与单节锂离子电池非常一致。

小型（物理尺寸和容量）锂聚合物电池可以从许多来源找到。我购买了电池，但还有很多其他电池。考虑PowerStream的PGEB016144 3.7V / 200mAh电池。740mWh的容量可以为平均数百微瓦的负载供电数千小时，使太阳能电池板有足够的机会为电池充电。它只有 1 毫米× 44 毫米× 61 毫米。此外，两个串联的G3i太阳能模块的6.4 – 0.24V最大功率电压与电池所需的充电电压非常吻合。

这似乎是一个很好的解决方案，但仍存在一些关键的电源管理问题。两个模块的开路电压在 5 lux 时约为 1000V，足以损坏电池。此外，变化的电池电压需要调节至3.3V。鉴于太阳能电池板可用的低功率和电池提供的能量存储量，剩余的电源管理功能需要尽可能少的静态电流至关重要。

凌力尔特的 LTC4070 并联电池充电器系统和 LTC3388 高效率毫微功耗降压型稳压器出色地满足了这些要求。有关最终应用原理图，请参见图2。当一个 3.7V 的电池电压且采用 3.3V 电源无负载时，LTC4070 和 LTC3388 的组合静态电流仅为 1.2μA！实际上，光伏电池产生的每个电子都会进入电池进行存储。

图2.LTC4070 和 LTC3388 能量收集系统

我在不使用LTC3388的情况下运行了这种配置两天多，以验证性能。为了代替LTC3388，我只需直接在电池上加载一个4kΩ负载（略低于1mA – 接近4mW），并将设置留在外部。在测试的所有52小时内，雨几乎都是稳定的 – 在雨中休息了几次，但从来没有阳光。即使在这些不利条件下，很明显电池是净充电的。通过更多的实验和优化，我相信这个~4mW的恒负载应用可以用更小的太阳能模块和更少的电池容量供电。这是数据（这里没有花哨的自动数据采集系统，我只是走到设置并在实验过程中测量了几个点）：

图3.为电池充电

那么为什么我只运行了这个实验 52 小时呢？好吧，我是大盗窃的受害者（好吧，也许它不符合“大”的法律定义，但在我看来它是盛大的）。我决定在周末把我的设置留在外面，不安全，在众目睽睽之下。到周一早上，它已经消失得无影无踪。总之，低功率光伏产品确实可以以极高的效率使用（在糟糕的太阳能到电力效率达到之后 – 我对此无能为力）。关键是使用尽可能少的IC，并确保这些IC用尽可能少的电子完成工作。另一个关键是将太阳能电池板与储能元件相匹配。如果储能元件迫使太阳能电池板始终在其最大功率电压或接近其最大功率电压下运行，则不需要花哨的MPPT算法。

审核编辑：郭婷