圖1：對于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的太陽(yáng)能供電系統由許多功能塊組成; 但用作備份或備用電源時(shí)，不需要功能塊（如傳感器和射頻鏈路）(圖源：貿澤)

事實(shí)上，我們需要了解能從太陽(yáng)中提取多少能量。到達地球大氣層頂部的平均太陽(yáng)輻射量約為1kW/m2或0.1W/cm2。

即使在晴天，也只有一小部分輻射能夠穿越大氣層到達地面，而太陽(yáng)能電池的效率只有15-20％，因此樂(lè )觀(guān)的估計，太陽(yáng)能電池釋放出的可利用能量約為10mW/cm2。再加上捕獲、存儲和輸出轉換的損失，太陽(yáng)能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當低，這還不包括夜晚、多云、季節性輻射和經(jīng)緯度等因素的影響。

由此看出，尤其是在mW采集應用（不必擔心I2R損耗）中，非常有必要將整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統的損耗降至最低。這種優(yōu)化對于前端的挑戰尤為突出，太陽(yáng)能電池的功率輸出必須在這里被提取并采集。這是因為任何損失或低效率在這之后都無(wú)法彌補，撞擊的太陽(yáng)能也將永遠消失。

通過(guò)功率點(diǎn)追蹤來(lái)提升效率

大多數傳統能源（電源）作為具有固定參數（如內阻）的電流或電壓源表現相對較好，而太陽(yáng)能電池則具有不尋常的特性，需了解這些特性，以便盡可能多地捕捉其輸出。設計者的目標是從太陽(yáng)能電池獲得最大功率，而不管輸出電壓和電流，因為這兩個(gè)量都會(huì )隨著(zhù)工作條件的變化而變化。

在一組給定的工作條件下，會(huì )有一個(gè)稱(chēng)為最大功率點(diǎn) (MPP) 的獨特“工作點(diǎn)”，此時(shí)電池輸出功率（即V × I）最大。要提取功率，電池負載（即連接電路的電阻）必須與電池的特征電阻相匹配。

這種匹配情況類(lèi)似于需要將任何電源與負載匹配以實(shí)現最大功率傳輸，例如功率放大器的輸出阻抗與負載天線(xiàn)之間，或天線(xiàn)與射頻前端之間。在大多數情況下，源阻抗和負載阻抗參數是相對恒定的，因此可以看作是一個(gè)固定電路（在某些應用中，特別是高性能射頻應用中，需要考慮到因自熱和環(huán)境條件，某些參數會(huì )隨溫度而變化）。

然而，太陽(yáng)能電池的工作條件從來(lái)都不是恒定的，并且由于照明、電池溫度、電池壽命和其他因素的變化而反復變化。因此，太陽(yáng)能系統必須動(dòng)態(tài)改變電池負載以獲得最大效率，這種技術(shù)稱(chēng)為最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT)。有效的MPPT可以通過(guò)帶有電阻負載線(xiàn)和最大功率線(xiàn)的電流-電壓以及功率-電壓關(guān)系傳統圖表來(lái)實(shí)現，如圖2a和圖2b所示。

圖2：a)和b)分別顯示了復雜的光伏陣列電流-電壓以及功率-電壓曲線(xiàn)；負載線(xiàn)和最大功率點(diǎn)是找到最高效率的關(guān)鍵（來(lái)自紐卡斯爾大學(xué)電力電子、驅動(dòng)和機器研究小組）

MPPT可以通過(guò)幾種方法實(shí)現：對于“擾動(dòng)觀(guān)察”法來(lái)說(shuō)，前端電路的阻抗來(lái)源于“擾動(dòng)”，因此需要監測輸出；如果功率增加，繼續依相同方向調整電壓，一直到功率不再增加為止。這是許多優(yōu)化方案尋找最大值/最小值的標準方法。其他方法包括通過(guò)使用掃描電流或電壓驅動(dòng)來(lái)確定電池的內部參數，從而操縱電池的跨導。每種方法都有利弊，例如在尋求MPP時(shí)可能出現過(guò)度振蕩或“擺動(dòng)”，或在試圖對MPP中相對快速的變化作出反應時(shí)出現次優(yōu)性能。

MPPT實(shí)現方法

無(wú)論選擇何種MPPT算法，都可以通過(guò)專(zhuān)用IC以硬件的形式實(shí)現，或作為系統微控制器編程的一部分以固件（軟件）的形式實(shí)現。雖然后一種選擇提供了極大的靈活性和微調甚至更改MPPT算法的能力，但也可能會(huì )增加系統負擔，因此與固定功能IC相比，需要更高速、更耗電的處理器。與幾乎所有的工程決策一樣，在選擇MPPT算法時(shí)也需要進(jìn)行權衡，還要考慮到主要成本或功率增量的閾值。

對于小型采集系統，通過(guò)專(zhuān)用IC實(shí)現單個(gè)MPPT通常具有較高的成本效益和效率；對于分布在較大區域（甚至是只有幾平方米）的多單元陣列，可能需要為每個(gè)單元分區提供單獨的MPPT，因為每個(gè)單元和分區可能具有不同的特性。所以要根據太陽(yáng)能陣列的大小、功率等級和所需的靈活性（或者根本不需要考慮），來(lái)選擇是使用具有專(zhuān)用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子系統IC，還是基于固件的MPPT處理器。

此外，還可借助完全可編程的控制器來(lái)進(jìn)一步提升復雜性和靈活性，如來(lái)自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高壓隔離太陽(yáng)能MPPT開(kāi)發(fā)套件。這套完整的評估板（圖4）用于輸入為200-300VDC且功率高達500W的大功率系統。它采用C2000系列中的Piccolo F28035處理器，并具有用于最大功率點(diǎn)追蹤的兩相交錯升壓級和半橋諧振LLC隔離級，這兩個(gè)級別可通過(guò)單個(gè)MCU實(shí)現數字控制。設計人員可以通過(guò)增量電導法或擾動(dòng)觀(guān)察法來(lái)選擇MPPT，進(jìn)而在應用中測試這兩個(gè)方法及有效性。

圖3：作為完全可編程的解決方案，Texas Instruments TMDSHVMPPTKIT是擁有MPPT算法的高壓隔離太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)套件，采用Piccolo F28035處理器，并可提供500W的功率

此套件內置USB JTAG仿真功能，因此無(wú)需外部硬件，同時(shí)還包括可快速上手的圖形用戶(hù)界面。所有硬件和軟件均提供完整的文檔記錄，并開(kāi)放源碼供設計使用。該評估板彌補了TI TMSHV1PHINVKIT的不足; 它們的結合形成了一個(gè)完整的DC-AC太陽(yáng)能供電逆變器系統。

中等規模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。該IC是一系列增強型核心器件之一，具有NCO（數控振蕩器）、CWG（互補波形發(fā)生器）或CLC（可配置邏輯單元）等外圍設備。Microchip在其應用筆記中提供了詳細信息，包括MPPT流程圖和相關(guān)代碼模塊[參考文獻1 (AN1467)和2 (AN1521)]；兩者都可以與PIC設備一起使用，而流程圖可以單獨用作任何處理器編程工作的指南。

對于電子電路來(lái)說(shuō)，從小型物聯(lián)網(wǎng)到大型備份、甚至是主電源，太陽(yáng)能由于其免費、永不耗竭的優(yōu)勢，具有巨大的吸引力。然而，現有可供利用的太陽(yáng)能只是一小部分，所以任何設計都必須注重其前端效率（如MPPT問(wèn)題），從而使這種方法在經(jīng)濟上合理，技術(shù)上可行。當然，無(wú)論設計師選擇專(zhuān)用前端IC還是完全可編程、基于處理器的設計，都取決于太陽(yáng)能電池陣列的大小、物理布局、所需的模塊化程度和成本。