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太陽(yáng)能LED照明的能量轉(zhuǎn)換

作者: 時(shí)間:2017-10-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  隨著技術(shù)的快速發(fā)展,發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)和太陽(yáng)能光伏電池的性能得到顯著提高,這進(jìn)而有助于提升最終應(yīng)用的性能。對(duì)于同時(shí)采用這兩種技術(shù)的應(yīng)用(如太陽(yáng)能照明應(yīng)用),這兩大核心技術(shù)的進(jìn)步將大大增強(qiáng)改善最終應(yīng)用性能的潛力。此時(shí),由于太陽(yáng)能電池效率更高,可將更多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,因此可減小所需太陽(yáng)能電池的面積,促使高效LED的夜間照明時(shí)間更長(zhǎng),燈光也更明亮。不過(guò),太陽(yáng)能照明解決方案制造商面臨的挑戰(zhàn)將是如何能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效地利用技術(shù)進(jìn)步的成果。最大程度發(fā)揮系統(tǒng)性能的其中一個(gè)辦法是利用能量轉(zhuǎn)換策略。借助堅(jiān)實(shí)的能量轉(zhuǎn)換策略,用戶能夠快速開發(fā)與部署充分利用最新技術(shù)的解決方案。在本文中,我們將檢視組件,開發(fā)系統(tǒng),并介紹一種分析系統(tǒng)特性的高級(jí)方法。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/368539.htm

  背景

  太陽(yáng)能照明的示例不勝枚舉。無(wú)論是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)使用太陽(yáng)能臺(tái)燈作為夜間閱讀的照明燈,還是對(duì)公共街道照明進(jìn)行全面部署,對(duì)太陽(yáng)/組合系統(tǒng)的需求都具有多樣性、接受度高及全球化的特點(diǎn)。唯一不同之處僅在于最終應(yīng)用的需求規(guī)模(閱讀與一般照明的要求截然不同)。

  所有此類系統(tǒng)的核心組件均包括:i) 太陽(yáng)能電池;ii) 電池;iii) LED。如果采用更廣義的描述,這些組件分別為:太陽(yáng)能采集器(太陽(yáng)能電池)、儲(chǔ)能裝置(電池)以及耗能裝置(LED)。雖然這并不十分準(zhǔn)確,但有助于突出分析的靈活性。圖1a給出了最基本的系統(tǒng)配置。

  圖1:兩種系統(tǒng)配置

  不過(guò),為使這種方案生效,每個(gè)組件的特性必須彼此兼容。對(duì)于本例而言,這意味著太陽(yáng)能電池的輸出電壓/電流特性必須與電池的充電曲線匹配,電池的放電曲線必須滿足LED的驅(qū)動(dòng)要求。我們很快發(fā)現(xiàn),圖1(a)中的配置不能滿足上述要求。

  組件概述

  回顧一下每個(gè)組件的性能特性,如圖2(a到d)所示的伏安特性,我們發(fā)現(xiàn),盡管可以在有限的配置集中使這些組件的特性相互接近,但幾乎無(wú)法保證能達(dá)到合理的性能水平。我們很快發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)能電池的電壓(單片電池)最高為1V左右,而NiMH電池的工作電壓介于0.9V與1.4V之間,而且雖然LED的正向電壓通常高于3V,但需要恒流源。此外,NiMH電池為延長(zhǎng)使用壽命,還有一些特殊的充電要求。

  雖然可以開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)直接連接所有組件,但應(yīng)清楚,這種配置存在很大的局限性,并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體效率與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

  圖2:組件伏安特性以及驅(qū)動(dòng)要求

  要打破這些限制,我們可以看一下圖1(b)所示的備選系統(tǒng)圖。此系統(tǒng)配置在三大核心組件之間分別添加了電力電子接口,可大幅提高系統(tǒng)的靈活性,并且可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。在此配置中,單片機(jī)并非必不可少。可以采用獨(dú)立的電池充電器集成電路(IC)來(lái)滿足NiMH充電曲線的要求,與此類似,可以采用LED驅(qū)動(dòng)器IC將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒流源。

  但這種配置至少存在以下兩方面缺點(diǎn)。第一,靈活性受到限制。所選器件的工作范圍很可能比較窄,這會(huì)限制它們響應(yīng)系統(tǒng)變化或客戶需求的能力。例如,如果太陽(yáng)能電池的配置發(fā)生變化,就需要更換電池充電IC。如果儲(chǔ)能技術(shù)或配置發(fā)生變化,就很可能需要同時(shí)更換電池充電IC和LED驅(qū)動(dòng)器IC。最后,如果LED的類型或配置發(fā)生變化,就需要重新配置LED驅(qū)動(dòng)器IC。考慮到這些技術(shù)的革新速度,唯有靈活性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能更快地響應(yīng)不斷變化的需求。單片機(jī)的使用將能增強(qiáng)系統(tǒng)以致整個(gè)解決方案的靈活性。此時(shí),如果硬件變化大,將并不需要重新進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作,因?yàn)榇蟛糠值淖兓寄軌蛟趩纹瑱C(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

  第二個(gè)缺點(diǎn)體現(xiàn)在系統(tǒng)優(yōu)化組件方面。通用的電池充電IC雖然很容易獲得,但卻很難找到包含最大峰值功率跟蹤(MPPT)算法的電池充電IC,以最大程度輸出太陽(yáng)能電池的電量。離散型解決方案難以跟上技術(shù)革新的步伐。

  建議的實(shí)現(xiàn)方案

  要突破定制解決方案的限制,可以在系統(tǒng)中引入單片機(jī),這樣設(shè)計(jì)人員不僅能夠充分利用各核心組件的增強(qiáng)性能,還可重復(fù)使用基本架構(gòu)。圖3給出了建議的實(shí)現(xiàn)方案。

  圖3:基于MCU的建議架構(gòu)

  圖3所示的實(shí)現(xiàn)方案有三大優(yōu)勢(shì)。第一,可方便快速地對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。此解決方案包括以下四個(gè)主要系統(tǒng):LED、電池、太陽(yáng)能電池和電力電子器件。如上文所述,應(yīng)對(duì)電池充電曲線加以控制,以提高電池的充電效率并延長(zhǎng)其使用壽命。而整體充電效率還與太陽(yáng)能電池的效率有關(guān)。將MPPT曲線整合到能量轉(zhuǎn)換算法中可以提高太陽(yáng)能電能轉(zhuǎn)換的總效率,在實(shí)現(xiàn)充電目標(biāo)的同時(shí),最終還能減小太陽(yáng)能電池組的尺寸。

  這會(huì)影響產(chǎn)品外形,設(shè)計(jì)人員因此有機(jī)會(huì)增強(qiáng)產(chǎn)品的視覺(jué)沖擊力。同樣,目標(biāo)應(yīng)用可能將燈光的質(zhì)量確定為關(guān)鍵特性,如同用于閱讀的應(yīng)用那樣。燈光質(zhì)量取決于電流波形,這或許是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流有嚴(yán)格的容差要求,或許是要求包括調(diào)光功能。采用建議的實(shí)現(xiàn)方案,設(shè)計(jì)工程師可對(duì)組件效率以致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及使用壽命的方方面面進(jìn)行優(yōu)化。

  第二,該架構(gòu)完全可擴(kuò)展并可支持較寬的功率范圍。用于閱讀照明的便攜式小巧臺(tái)燈可以有一個(gè)太陽(yáng)能電池、現(xiàn)成的NiMH充電電池以及幾個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為20-75 mA的LED。該設(shè)計(jì)僅需更換一些功率傳輸組件(包括現(xiàn)成的功率MOSFET和變壓器),便可快速調(diào)整功率額定值,從而滿足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如,可增加太陽(yáng)能電池的數(shù)量,用定制的電池組替代現(xiàn)成的NiMH電池,使用驅(qū)動(dòng)電流為350 mA以上的高光強(qiáng)大電流LED。

  第三大優(yōu)勢(shì)是平臺(tái)的靈活性,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)核心技術(shù)、用戶需求或用戶行為的變化快速進(jìn)行調(diào)整。例如,可快速采用升級(jí)的太陽(yáng)能電池或具有特殊驅(qū)動(dòng)要求的新LED,從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶在使用這些產(chǎn)品過(guò)程中提出的反饋,還可能催生其他非核心功能的需求,例如通信(如串口轉(zhuǎn)無(wú)線接口等)以及預(yù)測(cè)性診斷功能。因此,該解決方案不僅能夠根據(jù)變化條件進(jìn)行調(diào)整以及優(yōu)化性能,還能夠告知用戶自身的相對(duì)健康狀況并預(yù)測(cè)何時(shí)需要維護(hù)。

  結(jié)論

  如同大多數(shù)新興技術(shù)那樣,我們并不總是能確定其發(fā)展方向。但兩種新興技術(shù)(如PV太陽(yáng)能電池和LED)一旦融合基于單片機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器方案的靈活性,就必定能快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用改善,滿足客戶的需求。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)5月《綠色照明技術(shù)特刊》透視新設(shè)計(jì)欄目,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,違者必究!



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