基于太阳能的微能源收获技术

陈建明，梁 妍，陈德慧

（1．华北水利水电学院，河南郑州 450011;2．中国水电顾问集团贵阳勘测设计院，贵州 贵阳 550081）

微能源收获技术是一项新兴前沿技术，广泛应用于军工、野外供电、航空航天、无线传感等对电源有特殊要求的领域．这些领域的电源不能频繁更换电池，电源的能力较弱且不稳定，应用环境恶劣且要求能长时间给系统供电．在这种应用条件下，普通的电源技术满足不了需求，需将新型能源进行转换与收集．太阳能、温差发电等是当今使用较为广泛且技术较为成熟的新型能源发电技术，但是新型能源太阳能、温差发电等在一定的条件下功率有限且不稳定，电压及电流都较小，这就为电能的进一步转化和储存带来了极大的困难．要解决这个问题，一种方法是采用多个电源模块通过串联和并联的方法提高电压与电流，使得电能的变换和储存变得较为容易．但是这种方法随之而来的是电源体积、成本及多个电源参数不匹配带来的问题;另外一种方法就是在低电压和弱电流的情况下将电能高效储存起来再集中释放，这就是微能源收获技术所要解决的问题．

笔者基于太阳能的微能源进行收集技术设计．太阳能是一种取之不尽、用之不竭的巨大能源．太阳能光伏发电是一种零排放的清洁能源，可以进行独立发电和并网发电．太阳能电池利用半导体器件的光伏效应原理将太阳能直接转换为电能［1－2］．因其具有无污染、不受地域限制、维护方便、使用寿命长等诸多优点，得到了广泛的应用．

1 系统结构

基于太阳能的微能源收获系统由太阳能电池组、电压检测芯片、直流升压芯片、超级电容（组）组成．系统结构如图1所示．

图1 能源收获技术的结构框图

其中太阳能电池板是太阳能供电系统中的核心部分：它将太阳能的辐射能量转换为电能，转换来的电能只要达到电压检测芯片的要求，就可使直流升压芯片将太阳能产生的低电压、低电流电能泵升到一个合适的电压，用于给超级电容充电，从而将微能源高效存储起来再集中释放，完成微能源的收获．

2 系统电路设计及分析

电路设计的功能是使得在极低电压且极低电流的情况下仍然能正常地将电压升到合适电压，同时使该部分电路的升压效率达到较高的水平．

2．1 直流升压模块设计

电路中DC-DC升压变换器采用的是TPS61200芯片［3］．在启动电压很低的情况下，TPS61200是很理想的芯片．该系列在Ta=－40～+85℃工作温度范围内，最低输入电压为0．3 V;单个芯片就能组成升压式电源，效率较高．TPS61200的典型应用电路如图2所示．

图2 TPS61200典型应用电路

TPS61200在正常工作下支持0．3～5．5 V的输入电压，而且在欠压锁定引脚直线连接到输出电压的情况下，仍可管理低至0．0 V的电源电压．该变换器工作效率较高（在输入电压不小于1．2 V、输出电压3．3 V、输出电流 600 mA时，其效率可大于90%）;可以根据输入电压的大小能自动转换成升压模式或降压模式;其静态电流小，可小于55 μA;输入电压为0．5 V时，在满负载时也能启动工作;输入低电压锁存的电压可设定;有输出短路保护;有输出电压可设定及固定的品种供用户选择;在输出功率较低时有节能模式;能强制按固定效率工作;在关闭电源时，负载与输入端断开;有过热保护;工作温度范围 －40～+85℃;小尺寸 3 mm×3 mm QFN封装．

目前，最出色的升压变换器也只能支持最低0．7 V的输入电压，启动电压则需达到 0．9 V，无法支持收获能源．直流升压芯片TPS61200自身耗散的功率很小，而其最低开启电压可达0．3 V，利用TPS61200为核心的电压升压DC－DC变换器可将太阳能电池在微弱的光线或特定的条件下产生的低电压、低电流有效升高，完成微能源的收获目的．

2．2 实际电路设计

该电路的作用是使得前端太阳能电池产生的低电压、低电流电能泵升到一个合适的电压用于给超级电容充电，以收集利用这种微能源，解决了大部分能量都耗费在电能转换部分的问题．实际电路如图3所示．

图3 DC－DC电路

该DC－DC电路前端P1处接太阳能电池板的电压输入，选用的太阳能电池是单晶硅太阳能电池．单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，这种太阳能电池以高纯度的单晶硅棒为原料．目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右．通过二极管D3和2个并联的电容C15，C17，后接电压检测芯片BL8506－09CRM．若电路中太阳能源很弱达不到BL8506－09CRM的检测电压时，能源先储存到并联电容中，当电压达到开启BL8506－09CMR时，允许直流升压芯片TPS61200启动，从而避免不必要的功耗，节省能量．

BL8506内部电路由高精度参考源、电压比较器、输出电路和电阻网络等模块组成．监测电压在芯片内部预先确定，具有高精度、低温漂的特性，无需外部校准．电路中使用的BL8506－09CRM功耗低，精度高，工作电压范围也极宽，起到了很好的检测电压的作用．

电路中直流升压芯片TPS61200将低电压、低电流升高使超级电容组C19，C20，C21充电，最后将收集到的电能通过二极管D2供给负载．超级电容C19，C20，C21并联组成的超级电容组作为储能元件．超级电容即法拉电容，储能过程可逆．超级电容具有极低的等效串联电阻，这一特性使其可以大电流地充放电，其额度远超过当前最好的电池．此外，超级电容可快速充电且无充放电记忆效应，充放电可循环数十万次，使用寿命长．同时，超级电容在额定电压范围内可以被充电至任意电压，且可完全放电［4］．环境适用范围也较宽（－40℃到稍过100℃均能正常工作），在很多恶劣条件下均能很好地运行．法拉电容更兼有极为巨大的电容容值．但是，在电路中等效电容电阻应足够小（可以根据需求增加并联电容的个数以减小等效电容电阻），以使超级电容组消耗的能量足够小，节能效果更好，从而使能量存储起来，得到更好的收集利用．通过实验测得，太阳能电池输入电压为1 V、电流为1 mA时，电路即能正常地启动升压到设定电压，一旦低于这个输入功率电路将工作异常，表现为功率稍低时不能正常升压到设定值，过低时将不能启动升压．

3 结语

太阳能电池是一种将太阳能直接转化成电能的半导体器件．近年来，太阳能电池的研究与应用也越来越广泛，太阳能电池电源系统以独特的优势正逐步取代一些传统的电源设备．利用太阳能电池将微弱的太阳能转化为电能，用直流升压器将极低电压、极低电流升高后存储起来，以供负载使用，实现了微能源的收集及利用．

［1］高飞燕，阻武娇．太阳能电池综合管理自动控制器［J］．电子技术，2006（12）：50－53．

［2］范长城，王勇，植涌．基于太阳能电池板的直流不间断电源设计［J］．电源技术应用，2008，11（9）：25 －28．

［3］ TI公司．TPS61200［EB/OL］．［2011 －01 －10］．http：//focus．ti．com．cn．

［4］王亭岭，熊军华，陈建明．基于CC2430的无线传感器供电电源设计［J］．通信技术，2010，43（9）：103－105．