MCU/SoC提高太陽能板效率

今太陽能板和風力發電的優勢是可保持并且無污染，但他們的安裝成本較高，并且在大多數應用中，他們的負載接口需要電源調節器(dc/dc 或dc/ac轉換)。光電模塊(PV模塊)還有相對較低的轉換效率。

　　使用高效率電源調節可以減少整體系統成本，旨在從PV模塊提取最大限度的能量(使用最大功率點追蹤技術--MPPT)。現有的面板系統也存在缺點，一整天只能導向一個方向，不能總是直接面對太陽光。

　　在這篇文章中，我們將討論的技術是，如何在系統級提高太陽能面板效率，包括太陽能電池板最大受光定位，最大限度地從太陽能板提取現有電力，以及智能電池壽命管理。

　　框圖

　　圖1.框圖

　　我們從框圖中可以看到，該系統的主要部件是一個MCU或一個片上系統(SoC)。系統的全部智能都來源于這顆芯片，它是可重構和可升級的。在太陽能面板中，兩個光電二極體保持與面板平面垂直，其輸出反饋到MCU(MCU)。這些二極管和直流電機確定面板方位。根據二極管輸入，MCU控制直流馬達使太陽能電池板定位到可以收到最大光的方向。這兩個用于陽光跟蹤的光電二極體是反向偏壓的，這意味著通過這些二極管的反向電流隨入射光而變化。在白天，反向電流在10uA和 75uA之間變化。逆向暗電流(當沒有光線入射光電二極體)只有幾nA。

　　跨阻放大器(TIA)用于將反向電流轉換成等效電壓。放大器的增益使用反饋電阻設置。光電二極體經常有大量輸出電容。這需要在TIA并聯反饋電容，從而保證穩定性并提供帶寬限制減少寬帶噪聲。TIA的輸出電壓Vout，由下列公式決定:

　　Vout = Vref - Iin * Rfb

　　這里Rfb是電阻反饋，Iin是二極管電流，Vref是連接到運算放大器正極的參考電壓。

　　輸出電壓是使用一個片上模數轉換器數字化的。由于反向電流很小(數十uA)，ADC必須能夠分辨較小的電壓，所以需要精確的參考電壓。每一個傳感器的輸出要經過固件IIR濾波器濾波，清除任何光強度的突然變化。系統中使用一個ADC可測量到多個電壓。兩個二極管對應的數字化值不斷地比較。如果兩個值之間的差異在一個預定的門限內，面板位置保持不動。如果差超過門限，面板朝強度高的方向傾斜，直到差進入門限范圍內。這樣我們就可以定位面板朝最大光強度的方向。

　　直流電機使用MCU產生的PWM信號來驅動。PWM占空比決定電機旋轉速度。保持占空比較低，這是為了有緩慢而精確的運動。隨著面板定位好自身方向接受最強光，PWM占空比逐漸降低。一個可行的案例是一個65535 step的16位PWM。采用這樣小的step，就可以從黎明到黃昏都能準確地追蹤陽光。

　　電機運動時電流是幾十mA。MCU的GPIO不能提供足夠的源電流來驅動電機。要有一個電機驅動芯片來增大。驅動有H橋結構，其允許電機電流方向的數字控制，因此電機方向也可控制。驅動可以提供1A的電流。還要注意，跟蹤機制是這樣的，電機是定期的(每隔幾分鐘)間歇脈沖。因此，驅動電機的平均電流相當小。

　　有兩個開關連接到MCU。這些開關當面板旋轉到極限位置(東和西)時觸發，他們決定面板的最大旋轉限度。在MCU上有一個輔助實時時鐘，其保持時間跟蹤，所以一旦太陽下山，光強明顯變弱的時候，面板重新回到初始位置，面向東方。第二天，面板接著追蹤太陽并處理。

　　最大功率點跟蹤

　　圖2顯示了光電模塊的等效電路。太陽能電池可以看作電流源，其和一個二極管并聯。在沒有光時，沒有電流產生，它表現為一個二極管。當有光線入射到太陽能電池時，電流產生。

　　正常操作下，太陽能電池的效率會由于其內阻損失功耗而降低。寄生電阻由并聯分流電阻 (Rsh)和串聯電阻(Rs)構成。理想情況下，Rsh應該是無窮大，因此不會有路徑讓電流分流，Rs應該零，這樣不會在到達負載之前有電壓降。

　　研究發現，串聯電阻Rs的值隨溫度升高而增大。為了使用效果比較好，就需要有一個較低的串聯電阻Rs。因此，在較高的環境溫度下，面板效率會降低，如沙漠。而在寒冷的國家，串聯電阻的值比較小，效率會更高。

　　在該系統中，用于充電的電池是負載RL。它可能使太陽能面板誤認為電池有匹配的阻抗，從而給電池轉移最多電荷。這也可以能通過改變太陽能面板的運行點實現，解釋見下文。

　　圖2 PV模塊等效電路

　　PV模塊的典型V-I輸出特性見圖3。研究表明，溫度變化是影響PV輸出電壓變化的主要因素，而輻射主要影響PV輸出電流。隨著照明增