光伏太陽(yáng)能安裝成本的迅速下降使此技術(shù)逐漸成為支持離網(wǎng)應用的實(shí)際解決方案。美國國家可再生能源實(shí)驗室（NREL）在2010年計算的太陽(yáng)能系統安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統定價(jià)正向每千瓦時(shí)15.50美元發(fā)展。這是整個(gè)系統的定價(jià)，包括太陽(yáng)能電池、能量存儲設備以及充電器和逆變器電源電子裝置。
從便攜式公路施工標志和閃光指示燈，到偏遠的泵站和通信網(wǎng)絡(luò )，離網(wǎng)應用看起來(lái)有無(wú)盡的機遇。成本過(guò)高正是此類(lèi)項目實(shí)施的主要障礙，而不斷降低的價(jià)格正逐步打破這樣的屏障，使項目的實(shí)施變得切實(shí)可行。
本文將著(zhù)重介紹電源電子系統，以及在設計離網(wǎng)太陽(yáng)能系統時(shí)需要牢記的一些關(guān)鍵機遇和權衡利弊。在解決大多數系統級問(wèn)題時(shí)，最簡(jiǎn)單的方式通常是從最終應用要求開(kāi)始，然后回過(guò)頭來(lái)確定和定義整個(gè)系統，并確定系統的規模。

負載
負載幾乎可以是任何設備，但離網(wǎng)應用之所以離網(wǎng)是有原因的。應用可能需要是便攜式的，如施工信息標志或簡(jiǎn)單的危險報警閃光燈�？紤]到其便攜性，將每個(gè)負載都接入電網(wǎng)明顯不可行�；蛘�，也許應用位于偏遠地點(diǎn)，如蜂窩通信塔或偏遠泵站。
我們首先應該確定在開(kāi)發(fā)離網(wǎng)太陽(yáng)能解決方案時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵因素。圖1給出了高階系統框圖。使用能量平衡方法時(shí)，關(guān)鍵是了解負載，包括其類(lèi)型和隨時(shí)間表現出的特性。


圖1：高階系統框圖

首先要確定負載類(lèi)型和所有特殊要求。是恒定負載還是可變負載？是僅在白天使用還是僅在夜晚使用？是間斷使用還是持續使用？了解負載類(lèi)型及其特性有助于確定系統的實(shí)現方案。例如，施工危險報警閃光器通常是恒定脈動(dòng)負載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應該在白天對這些負載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運行這些負載。信息標志可能是脈動(dòng)負載，但在白天和夜晚都需要運行。在這種情況下，系統需要確定為在白天支持恒定負載運行，同時(shí)對電池組充電以支持整晚連續運行。同樣，泵負載需要日夜工作，而且不一定是恒定負載。這里，系統需要能應對最壞情況，或者需要備用系統來(lái)解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網(wǎng)太陽(yáng)能應用，因為下雨時(shí)沒(méi)有多少陽(yáng)光可對電池充電。很明顯，能采用的負載類(lèi)型幾乎無(wú)窮無(wú)盡，圖2僅列舉了上面討論過(guò)的一些負載類(lèi)型。

圖2：常見(jiàn)負載類(lèi)型

在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關(guān)鍵是了解平均日負載。當充分了解負載和工作條件之后，指定能量存儲要求就變得簡(jiǎn)單直接了。

確定能量存儲的規模
由于太陽(yáng)每天都升起和落下，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的24小時(shí)能量平衡法來(lái)計算基本的能量存儲要求。注意圖3，圖中標識了工作情況。很明顯，確定能量存儲的規模時(shí)必須支持圖左側的情況。

負載可能有明確的量，如若干個(gè)施工危險報警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應用。處理變化的負載時(shí)，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正常”情況，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲組件應該在白天充電，其容量應設定為足以在其余的夜晚時(shí)間驅動(dòng)負載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過(guò)百分之95的情況（即，泵在黃昏開(kāi)始工作，然后整夜滿(mǎn)載運行）。
下面的公式通過(guò)將未進(jìn)行充電的時(shí)間段內的每小時(shí)最大負載功率合并在一起，來(lái)捕獲最壞情況的能量存儲要求。


還有更壞的情況，即在負載需要工作且無(wú)太陽(yáng)光時(shí)，電池組尚未完全充電�？紤]的重點(diǎn)是故障成本（即不閃光或不抽吸）。如果泵不抽吸，成本可能非�？捎^(guān)。最顯而易見(jiàn)的解決辦法是增加能量存儲組件的容量。但是，總會(huì )有更壞的情況。在不容許出現故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個(gè)備用系統（如柴油發(fā)電機）并將系統其余部分的規模調整為僅適用于正常情況是最合理的。
圖3的左側用于確定能量存儲要求，圖3的右側用于確定太陽(yáng)能陣列的規模

確定太陽(yáng)能陣列的規模
更好地了解負載要求后，我們可以確定太陽(yáng)能陣列的規模。根據圖3，太陽(yáng)能陣列的規模必須設定為在規定的充電時(shí)間內使充電量滿(mǎn)足能量存儲要求，同時(shí)在該時(shí)間段內支持平均負載輸出。下面的公式標識了此高階關(guān)系。
太陽(yáng)能陣列輸出功率 = 能量存儲容量/充電時(shí)間+平均負載功率
我們可以通過(guò)簡(jiǎn)化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽(yáng)能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進(jìn)行精確的調整，還需了解一些內在和外在因素。從外部因素角度來(lái)看，最重要的因素之一是離網(wǎng)應用的地點(diǎn)，尤其是緯度。僅憑這一點(diǎn)就可以預計太陽(yáng)照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應用地點(diǎn)相對于太陽(yáng)的位置就可以預計太陽(yáng)照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素（包括云層覆蓋和環(huán)境溫度）也可能對系統預計接收的陽(yáng)光照射量以及能量轉換效率產(chǎn)生不利影響。應該清楚這些外部因素將隨著(zhù)應用和地點(diǎn)的不同而發(fā)生變化。
此外，系統架構（尤其是設備的連接方式）等內部因素也會(huì )影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實(shí)現100%的轉換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲和太陽(yáng)能陣列的規模決定了可提供的能量和功率。要計算需要產(chǎn)生的功率，需要考慮電源電子裝置。

電源電子裝置拓撲
盡管圖1中的系統框圖有助于了解能量平衡，但要考慮影響組件尺寸的內部因素，還需要更多細節。圖4更詳細地描述了系統實(shí)現。它也提出了會(huì )影響電源電子裝置策略的問(wèn)題。
基于單片機的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應用中使用標準參考設計，同時(shí)仍然可以滿(mǎn)足應用特定的需求并實(shí)現高級功能。它不僅可支持基本電源轉換，還在選擇核心組件方面提供了靈活性，支持各種工作條件下的變化并實(shí)現優(yōu)化。此外，還可以輕松實(shí)現通信和診斷等高級功能。專(zhuān)用的分立式電源轉換器則無(wú)法實(shí)現這一點(diǎn)。
在此實(shí)現方案中，最大的問(wèn)題來(lái)自于負載；關(guān)鍵問(wèn)題是負載的性質(zhì)是什幺，以及“負載控制”需要是什幺樣子的？需要電壓還是電流？電壓或電流設定值需要精確到什幺程度？負載控制可能像繼電器一樣簡(jiǎn)單，也可能像3相逆變器一樣復雜。不管怎樣，它都需要充電器功能（即電源電子裝置），使用太陽(yáng)能為能量存儲設備充電。而且，如果系統允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤（MPPT）功能。
可能首先要做出的決策之一是應該使用公共電源軌架構還是分布式電源軌架構。圖5展示了兩者的差別，負載特性很可能對選擇起決定作用。如果負載需要恒定電壓，則圖5a中顯示的公共軌可能是最佳選擇。在這種情況下，負載控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單的繼電器或固態(tài)開(kāi)關(guān)。太陽(yáng)能直流/直流轉換器使公共軌保持在電壓設定值，電池充電器從母線(xiàn)汲取電力為能量存儲設備充電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均在于功率轉換步驟�？紤]到85%的平均功率轉換效率，這意味著(zhù)每次轉換有15%的損失。如果太陽(yáng)能直流/直流轉換器能夠支持負載，那幺僅需要一個(gè)電源轉換步驟。但要給電池充電，則需要兩個(gè)電源轉換步驟（太陽(yáng)能直流/直流轉換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉換器），外加一次額外的轉換（雙向直流/直流轉換器到公共軌）才能支持負載。
如果僅在太陽(yáng)能直流/直流轉換器不工作時(shí)（即夜晚）使用負載，則也可以使用公共軌。在這種情況下，可去掉太陽(yáng)能直流/直流轉換器，并且可使用能量存儲設備上的雙向直流/直流轉換器通過(guò)太陽(yáng)能陣列為電池充電；也可以使用替代方案為負載供電。此時(shí)，能量?jì)H需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)電源轉換步驟（太陽(yáng)能直流/直流轉換器到雙向直流/直流轉換器，以及雙向直流/直流轉換器到負載）。
圖6中的分布式架構更靈活，可支持不斷變化的負載需求。在這種情況下，可使用太陽(yáng)能直流/直流轉換器支持能量存儲軌（即充電），直流/直流轉換器可支持負載需求。這種方法的缺點(diǎn)是始終有兩次電源轉換。但總的來(lái)說(shuō)，如果預計太陽(yáng)能陣列和負載同時(shí)工作，則這是最優(yōu)的解決方案。
 
簡(jiǎn)單示例
在從高階角度查看電源結構后，我們現在來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗示例。設想一個(gè)可經(jīng)常在施工桶或混凝土護欄頂部看到的“施工區危險報警閃光燈”。從高階角度看，報警閃光燈僅在夜晚工作，電池將在所有其它時(shí)間充電。這種特性允許我們使用公共母線(xiàn)架構，因為報警閃光燈或者在充電，或者在閃爍，兩種操作不會(huì )同時(shí)進(jìn)行。我們可以將太陽(yáng)能直流/直流轉換器、雙向直流/直流轉換器和負載控制合并成一個(gè)單獨的雙向轉換器來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化拓撲。圖6給出了建議的電路設計。

圖6：建議的電路圖

建議的電路設計采用Microchip的PIC16F690單片機和兩個(gè)MCP1630模擬PWM控制器來(lái)驅動(dòng)雙向反激式轉換器。在白天，此配置使用太陽(yáng)能作為輸入并對電池充電。在夜晚，由于在太陽(yáng)能陣列上檢測到的能量低到可忽略不計，轉換器開(kāi)始按照編程的“閃爍”模式為L(cháng)ED燈供電。表1列出了這些假設和計算結果。

表1：應用假設和結果

結論
分布式應用將繼續利用太陽(yáng)能安裝成本不斷降低這一趨勢。最終應用需求將對系統拓撲起決定作用并突出關(guān)鍵的性能權衡問(wèn)題�；�于單片機的電源轉換架構在支持各種最終應用以及支持光伏太陽(yáng)能技術(shù)的持續發(fā)展方面具有極大的靈活性。這種靈活性意味著(zhù)當前的設計在未來(lái)仍有可用性