轉(zhuǎn)向更加環(huán)保的解決方法是當(dāng)前的一種趨勢，與這種趨勢一致的是自助維持運(yùn)行的太陽能供電基礎(chǔ)設(shè)施開始在全世界采用。為了改進(jìn)客戶服務(wù)、便利性和安全性，具有夜間照明和無線通信能力的公共服務(wù)站數(shù)量日益增多。有照明和可實(shí)時供應(yīng)到達(dá)時間信息的公交站正在北美出現(xiàn)。太陽能供電售票亭也正在歐洲出現(xiàn)。在無法具成本效益地建造電力及有線通信基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)，也可供應(yīng)這類設(shè)施。這類設(shè)施都必須能進(jìn)行無線通信，以執(zhí)行各自的功能。概念驗(yàn)證已經(jīng)有了，但是我們怎么樣才能優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電源網(wǎng)絡(luò)，以最高效率利用可得到的太陽光，從而最大限度地延長運(yùn)行時間并最大限度地降低成本?

太陽能電池工作特性

太陽能電池板出現(xiàn)能量的多少與接收到的光照量成正比。云、樹木、灰塵、太陽能電池板的表面積以及太陽的旋轉(zhuǎn)都會出現(xiàn)影響，這些影響可能使可用來發(fā)電的光照量出現(xiàn)極大的波動。加之太陽能電池具有高的源阻抗特性，所以在負(fù)載試圖抽取相對大的恒定電流時，大多數(shù)情況下，可能在幾段時間內(nèi)會遇到對負(fù)載、充電器和電池?zé)o電可供的情況。因此，必須應(yīng)用一種電路，以仔細(xì)控制電流，并相應(yīng)地最大限度提高太陽能電池供給充電單元的功率。

太陽能電池板的典型輸出電流和輸出電壓特性如圖1所示。這里出現(xiàn)了一個有趣的趨勢，即就給定太陽能電池板而言，不管照明條件如何，當(dāng)輸出電壓處于一個相對恒定的電壓VMpp時，太陽能電池板會供應(yīng)最大輸出功率。通過查看感興趣的太陽能電池板的技術(shù)文件，可以找到電壓VMpp。同時，也可以用一種很好的方法來獨(dú)立驗(yàn)證VMpp數(shù)值，通過在同樣的照明條件下逐漸增大或減小負(fù)載，畫出如圖1所示的那種I-V曲線，而讓太陽能電池板以各種不同的角度面對太陽，就可以非常容易地形成各種照明條件。

圖1：典型太陽能電池板的輸出電流和功率隨輸出電壓變化的曲線

INCREASINGILLUMINATION：照明亮度提高

CURRENT：電流

pOWER：功率

僅查看一個真實(shí)的太陽能電池板性能曲線，理解不了在電壓等于VMpp時抽取功率的重要性。圖2中的數(shù)據(jù)是在晴朗的天空下，在凌力爾特公司位于美國加利福尼亞州米爾皮塔斯的公司園區(qū)內(nèi)，用一個自動負(fù)載箱和直接面對太陽的太陽能電池板情況下，在1分鐘時間內(nèi)收集的。如該圖所示，在陽光直射的情況下，一個不受控制的負(fù)載可能使得凈輸出功率在低于2W至47W的范圍內(nèi)變化。假如有可能保持太陽能電池板的輸出電壓約為恒定的13V，那么我們就可以保證向負(fù)載供應(yīng)最大功率。可是這個任務(wù)怎么樣才能完成呢?

圖2：SolecS-70C太陽能電池板：輸出電流隨輸出電壓變化的曲線

Outputpower：輸出功率

SolecS-70CpanelpowerCurve(Facingsun)：

SolecS-70C太陽能電池板的功率曲線(直接面對太陽)

(Takenat12:45pmpDTJuly11,2011)：

(于2011年七月十一日太平洋夏令時下午12：45收集的數(shù)據(jù))

OutputCurrent：輸出電流

OutputVoltage：輸出電壓

優(yōu)化太陽能電池的功率

利用太陽能發(fā)電的成本仍然高于煤、天然氣等傳統(tǒng)能源，部分原因是太陽能電池的價格很高。盡管每瓦的價格在下降，但SolarBuzz.com于2011年七月公布的一份研究報告顯示，視批量和技術(shù)的不同而不同，以每瓦峰值功率發(fā)電量計算，太陽能電池的價格仍然處于0.96至2.54歐元之間。如前所述，非理想的太陽照射條件常常妨礙太陽能電池板以峰值發(fā)電量工作。此外，就太陽能供電應(yīng)用而言，太陽能電池板和負(fù)載(在電壓不等于VMpp時工作)之間任何潛在的阻抗失配都必須考慮，而且在計算太陽能電池板的發(fā)電量時要包括這個因素，以將這個因素的影響加入到系統(tǒng)的設(shè)計中。隨著失配的降低，在實(shí)現(xiàn)同樣的功率輸出時，太陽能電池板的尺寸和價格也會減小和降低。

減少阻抗失配的一種簡便的方法是在太陽能電池板的輸出與負(fù)載之間使用一個最大峰值功率跟蹤(MppT)電路。特別之處是，該電路可改變電流負(fù)載以保持電壓在VMpp。這種電路可以采用分立(使用大量的組件)或集成于一個器件(如LTM8062開關(guān)µModule電池充電器)的方式來設(shè)計。LTM8062所供應(yīng)的MppT是一種簡單的解決方法，可利用單個電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)以確保能夠在相差很大的照明條件下向負(fù)載輸送最大的功率。通過比較兩款相同配置方法的輸出功率，可以最好地展現(xiàn)MppT電路的有效性，兩款方法均采用一塊SolecS-70C太陽能板，其一啟用了MppT，另一個則停用了MppT，后者可通過將LTM8062的VINREG引腳電平拉至VIN來實(shí)現(xiàn)。測試電路原理圖在圖3中給出。

圖3：最大充電電流為6A時，MppT有效性的測試電路原理圖

OpEN:MppTACTIVE-----打開：啟用MppT

CLOSED:MppTINACTIVE------關(guān)閉：停用MppT

3paralleled：3個并聯(lián)

2-CELLLi-Ion(2x4.2V)BATTERY：兩節(jié)鋰離子(2x4.2V)電池

能量存儲：電路比較組件和配置

LTM8062是一款高效率的集成式恒定電流/恒定電壓(CC/CV)降壓型開關(guān)電池充電器解決方法，在4.95V至32V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。高達(dá)18.8V的用戶可編程電池浮置電壓允許該器件支持一個由多達(dá)8節(jié)密封鉛酸電池、4節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池或者5節(jié)磷酸鐵鋰(LiFepO4)電池組成的電池組。與業(yè)內(nèi)其他公司所建議并由超過10個組件組成的分立式解決方法相比，集成的MppT電路極大地降低了設(shè)計復(fù)雜性。正如前面提到的那樣，該電路驅(qū)動LTM8062，自動將電池充電電流減小或增大到2A，以從太陽能電池供應(yīng)最大輸出功率。在最基本的應(yīng)用中，LTM8062都僅要3個外部組件就可正常工作，相比之下，傳統(tǒng)的分立式解決方法則要15至30個組件。

到了用戶可調(diào)的時間限度以后，或充電電流下降至最低門限(200mA)以后，充電過程終止，電池電壓隨溫度變化的準(zhǔn)確度為1.5%。兩個集電極開路狀態(tài)指示信號CHRG和FAULT適用于LED，以供應(yīng)視覺提示。當(dāng)該器件給電池充電時，發(fā)出CHRG指示信號。假如電池在固按時間限度內(nèi)沒有以啟動充電來回應(yīng)，或者當(dāng)使用可選NTC熱敏電阻輸入引腳時發(fā)生了過熱情況，那么就發(fā)出FAULT指示信號。

假如電池電壓降至低于設(shè)定浮置電壓的2.5%，或已插入新電池，那LTM8062會自動給電池再充電。當(dāng)太陽能電池板的電壓在夜間急劇下降時，內(nèi)部隔離二極管用來防止從電池回到電源的反向電流。就更大的充電電流而言，多個LTM8062的輸出可以并聯(lián)到一起。采用這種聯(lián)接方法時，這些LTM8062模塊可以共享單對反饋電阻器，如圖3所示。3個LTM8062模塊并聯(lián)，在恒定電流充電狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)6A±7.5%的最大充電電流。充電終止電壓設(shè)定在8.4V。

SolecInternational公司的S-70C是一款單晶太陽能電池板，額定峰值輸出功率為70W。根據(jù)各種照明條件下的測試結(jié)果確定，最大功率電壓為13V，盡管標(biāo)簽上標(biāo)明VMpp數(shù)值為17V。不過，該產(chǎn)品仍然顯示了太陽能電池板的典型性能特性。在進(jìn)行所有測量時，該太陽能電池板都與地平行放置，以模仿平坦的屋頂。

因?yàn)樵谡鎸?shí)應(yīng)用中，電池的最初充電狀態(tài)隨系統(tǒng)使用情況、電池尺寸、之前幾天的天氣情況以及其他因素的不同而有很大變化，所以用一個電子負(fù)載來模擬在恒定電流和恒定電壓充電區(qū)之間過渡時，從太陽能電池板抽取的最大功率的近似值。通過要求兩個電路處于這一工作點(diǎn)，我們可以肯定，該電路能否支持充電周期中的其他所有事件。在對應(yīng)于兩節(jié)鋰離子電池組的8.4V充電終止電壓情況下，要求該電子負(fù)載用3個并聯(lián)LTM8062充電器模塊拉高到6A，同時保持約為8V的電壓。

最大峰值功率跟蹤的有效性

夏天的某一天，在凌力爾特位于美國加利福尼亞洲米爾皮塔斯總部的室外園區(qū)，當(dāng)MppT電路啟用和停用時，我們進(jìn)行了一整天的測量。對舊金山夏天的氣候很熟悉的人都了解，早上灰蒙蒙的天氣，經(jīng)常到午后就變得晴空萬里了。這也是我們在七月的一天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時的情況。測量在正常工作時間進(jìn)行，但實(shí)際應(yīng)用將有可能在數(shù)據(jù)采集的前后供應(yīng)幾個小時的額外光照。圖4示出了輸送至電子負(fù)載(模仿我們的8.4V鋰離子電池)的有效負(fù)載電流和功率。這一整天都處于接近最大吸取功率以及晴朗的天氣條件下(特別注明的地方除外)。

圖4：啟用和停用MppT時的充電電流和功率

ChargeCurrent：充電電流

OvercastSky：灰蒙蒙的天空

ChargeCurrentpoweroverTime：隨時間變化的充電電流和功率

LTM8062ChargeCurrentLimitReached：已達(dá)到LTM8062的充電電流限制

powerwithMppT：啟用MppT時的功率

powerwithoutMppT：停用MppT時的功率

ChargeCurrentwithMppT：啟用MppT時的充電電流

ChargeCurrentwithoutMppT：停用MppT時的充電電流

pacificDaylightTime：太平洋夏令時

OutputpowertoBattery：供應(yīng)給電池的輸出功率

當(dāng)MppT電路工作時，輸送至模擬電池的電流及功率明顯高于該電路不工作時的水平。除了中午那段時間達(dá)到LTM8062內(nèi)部最大充電電流限制的情況以外(MppT啟用)，如圖所示供應(yīng)給負(fù)載的電流增大了20%至40%。假如將電池充電器和負(fù)載與電路分開一會兒，那么MppT電路啟用時，從太陽能電池板抽取的功率比該電路停用時多18%至42%?？傊?，更顯著的改進(jìn)往往發(fā)生在早上和晚上光照較弱的時候。在這9個小時中供應(yīng)給負(fù)載的額外能量在最大峰值功率電路停用時約為240W•hr，而MppT電路啟用時約為300W•hr(參見圖5)，提高了25%。據(jù)此，一個100W的太陽能電池板系統(tǒng)在負(fù)載端的MppT啟用時，與一個125W太陽能電池板系統(tǒng)在MppT停用時所出現(xiàn)的功率相同。以太陽能電池板的市場價格為每瓦1至2.54歐元計算，可能節(jié)省的費(fèi)用等于25歐元至63.5歐元。

圖5：供應(yīng)給電池的累計能量

CumulativeEnergyStoredinBattery：存儲在電池中的累計能量

withMppT：啟用MppT

withoutMppT：停用MppT

pacificDaylightTime：太平洋夏令時

可靠的高能效照明

由于最大輸出功率現(xiàn)在可以高效率地存儲在電池中，所以今天最可靠和最高效率地供應(yīng)夜間照明的方式是采用LED。舊金山市新引入了采用LED的公交站消耗74.4瓦功率，相比之下，之前的熒光燈照明公交站消耗336瓦功率。擁有成本也降低了，因?yàn)長ED可持續(xù)使用的時間是熒光燈的10倍。此外，LED要求用DC電源工作，非常適合于用太陽能電池板及電池供應(yīng)的DC電源。熒光燈要求用范圍一般在200V至1500kV的AC電壓工作，當(dāng)用DC電源工作時，要昂貴和復(fù)雜的驅(qū)動器。另外，熒光燈泡所需的較高電壓AC電源還會變成潛在無線通信的一個干擾源，下一節(jié)將對此加以闡述。LTM8042恒定電流LED驅(qū)動器在效率、可靠性和便利性方面與LTM8062非常相似，為滿足照明需求供應(yīng)了一個有價值的解決方法。

圖6a和6b：采用升壓型配置的LTM8042和LTM8042-1

7VTO8.4V：7V至8.4V

UpTO16V：高達(dá)16V

無論要升壓、降壓或降壓-升壓型工作模式，LTM8042和LTM8042-1都可以非常容易地配置為分別供應(yīng)高達(dá)1A和350mA的恒定電流。在這個實(shí)驗(yàn)中，模擬的8.4V鋰離子電池組會在約7V時供應(yīng)其大部分能量，從而在采用Cree公司的中性白光XLAMpXM-LLED時，允許LTM8042支持一個高達(dá)16V的700mALED串，以供應(yīng)1300流明的光通量。采用同一個電池組，LTM8042-1能以高達(dá)350mA驅(qū)動一個24V的LED串，從而在采用Lumileds公司的中性白光LuxeonRebelESLED時，供應(yīng)1040流明的光通量。假如兩個太陽能電池板串聯(lián)疊置，以將VMpp提高到26V，而且電池組電壓提高到16.8V，那么在350mA時，采用XlampXM-LLED可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2880流明的光通量，而采用LuxeonRebelES可實(shí)現(xiàn)1430流明的光通量。LTM8042和LTM8042-1構(gòu)成了一個在3V至30V輸入電壓范圍工作的完整LED驅(qū)動器解決方法，而且僅要很少的3個外部組件。

為了在黃昏和黎明時節(jié)省功率，LTM8042支持兩種調(diào)光方法。采用圖6b所示的pWM輸入可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3000:1的調(diào)光比。采用一個電阻器或電壓可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。開關(guān)頻率在250kHz至2MHz范圍內(nèi)可調(diào)，而且可以同步至一個高達(dá)2.5MHz的外部時鐘，以適用于噪聲敏感應(yīng)用。

清晰的通信是關(guān)鍵

不管是Wi-Fi、HSpA、LTE抑或是其他無線標(biāo)準(zhǔn)，通信系統(tǒng)的功耗都在日益降低、而服務(wù)的區(qū)域則在持續(xù)擴(kuò)大。無線通信是對公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的一種簡易擴(kuò)充。公共交通站點(diǎn)可將最新的實(shí)時服務(wù)信息傳遞給他們的乘客。售票處可辦理乘客的電子付費(fèi)。太陽能供電型傳感器開始逐步應(yīng)用于重要城市的街道中，可幫助駕駛者找到有空位的停車地點(diǎn)并由此緩解交通擁塞。在可能沒有傳統(tǒng)有線通信基礎(chǔ)設(shè)施的場合中，假如系統(tǒng)是脫離電網(wǎng)的，那么向系統(tǒng)及/或從系統(tǒng)進(jìn)行清晰的信息傳遞(特別是無線通信)的能力是很關(guān)鍵。

在無線通信中，低噪聲輻射噪聲解決方法關(guān)于改善信號接收與傳輸質(zhì)量是很重要。凌力爾特公司供應(yīng)了8款簡單和易用的DC/DC降壓型µModule穩(wěn)壓器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通過了EN55022ClassB輻射EMI(電磁干擾)規(guī)范的認(rèn)證，并具有業(yè)界最高的額定輸出功率。測試是采用標(biāo)準(zhǔn)的演示電路板來完成的，并可向所有的設(shè)計工程師供應(yīng)演示電路板的Gerber文件。其EMI性能得到了由第三方所供應(yīng)的獨(dú)立測試報告的證實(shí)，相關(guān)的測試報告可以在線查閱。凌力爾特經(jīng)過EN55022ClassB規(guī)范認(rèn)證的降壓型µModule穩(wěn)壓器系列可接受高達(dá)36V的工作輸入電壓和高達(dá)8A的輸出電流，并能在多個模塊之間支持準(zhǔn)確的輸出電流均分，從而將輸出電流能力提升至32A。關(guān)于那些要對運(yùn)行時間要求很高的無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計的工程師們而言，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些器件是非常有用的工具。

結(jié)論

自助供電的智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的好處非常多。今天已有的技術(shù)使這種基礎(chǔ)設(shè)施有可能實(shí)現(xiàn)，不過要優(yōu)化以使這種基礎(chǔ)設(shè)施能投入實(shí)用。LTM8062微型模塊電池充電器具有MppT功能，可構(gòu)成緊湊、便利、可靠和高效率的解決方法，使從太陽能電池板抽取的功率提高多達(dá)40%。在一天中，可以多獲取25%的能量，因此以目前的價格計算，就100瓦峰值發(fā)電量而言，太陽能電池板的費(fèi)用有可能節(jié)省25歐元至63.5歐元。面向LED照明和噪聲敏感無線通信的、緊湊和高效率電源模塊采用了緊湊的外形尺寸，以增強(qiáng)系統(tǒng)功能。憑借具M(jìn)ppT的高效率、可靠和便利的電池充電器，結(jié)合先進(jìn)的電池存儲技術(shù)、太陽能電池及高效率LED，更多城市甚至偏遠(yuǎn)環(huán)境現(xiàn)在都可以用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方法實(shí)現(xiàn)自助供電的智能公共基礎(chǔ)設(shè)施了。