微光伏系统对太阳能电池输出参数的依赖性分析*

刘 伟， 尹文卓， 谢 健， 罗 嵘， 胡顺仁

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院，重庆 400054；2.清华大学 电子工程系，北京 100084)

0 引 言

随着半导体、计算机和无线通信等技术的飞速发展，物联网应用日益广泛。许多室外应用需要使用电池对物联网节点进行供电。由于节点数量众多，更换电池极为不便。为了延长节点的工作寿命，可以通过降低工作周期等方式来减少能耗[1]。然而，要从根本上解决节点的能量供给问题，需要从环境中收集能量来补充电池电量，其中太阳能是目前最有效的方式之一[2]。

物联网设备的工作电压和电流通常较低，因此,传统发电领域的太阳能供电结构无法直接使用，需要开发针对性的微光伏电路结构[3]。由于太阳能电池是一种非线性有限功率源，在特定的光照条件下存在一个最大功率点，因此只有当太阳能电池工作在该点时，才能获得最优的性能。实时跟踪太阳能电池的最大功率点，并动态调节负载使其工作在该点，才能实现太阳能利用的最大化。这一过程被称为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)，目前已有多种微光伏系统实现了MPPT功能[2, 4～11]。然而，现有工作主要关注于微光伏系统收集效率的提升，对这些系统的性能对比分析较少，特别是它们对太阳能电池输出参数的依赖性。

本文搭建了5种典型的微光伏系统，通过实验深入分析了太阳能电池输出特性变化对收集效率的影响，所得结论对物联网节点优化太阳能电池和收集电路的选择和匹配，具有非常重要的指导意义。

1 相关工作

如果不考虑太阳能电池的输出特性，可以使用二极管或稳压器直接连接太阳能电池和负载。例如，文献[4]使用二极管将太阳能电池与可充电电池直接相连。这种方式虽然简单，但能量收集效率很低。为了实现太阳能利用的最大化，必须设计合适的MPPT电路实现最大功率点跟踪功能。

文献[5]利用太阳能电池最大功率点电压与光照强度几乎成线性关系这一特性，提出了一种MPPT电路结构AmbiMax，如图1(a)所示。该结构使用光照传感器实现最大功率点跟踪功能。AmbiMax的优势是无需外界控制，可以实时跟踪最大功率点。然而，由于最大功率点电压与光照强度的线性关系易受环境因素变化的影响，使用固定的映射模型通常难以获得最优的收集效率。文献[6]利用在不同的光照强度下太阳能电池的最大功率点电压与开路电压的比值近似恒定这一特性，提出了一种MPPT电路结构Pilot，如图1(b)所示。与AmbiMax一样，该结构也无需外界控制。更重要的是，它几乎不受环境因素的影响，能够获得更高的收集效率。文献[7]利用MOS管的可变电阻特性实现MPPT功能，提出了一种MPPT电路结构DuraCap，如图1(c)所示。与上述两种结构不同的是，DuraCap搜索最大功率点时需要将太阳能电池与负载断开，因此无法实时跟踪最大功率点，这必然会影响其收集效率。文献[8]基于DuraCap设计了一种具有两级能量存储结构的能量自供给传感器节点，但并未对其硬件结构的缺陷进行改进。

图1 三种电路结构

此外，还可直接使用MPPT集成芯片进行太阳能收集[2, 9～11]。例如，文献[9]使用BQ25504芯片进行太阳能收集。TI公司的BQ25504可以实现太阳能、振动能等多种能源的微瓦(μW)级能量收集[12]。目前已有多种面向物联网应用的MPPT芯片。这类结构的优点是电路简单，但MPPT芯片的成本通常较高，并且对太阳能电池的输出特性有严格限制。

综上所述，现有工作主要关注于微光伏系统收集效率的提升，对这些系统的性能对比分析较少，特别是它们对太阳能电池输出参数的依赖性。虽然文献[3]通过实际测试对常用微光伏系统的能量收集性能进行了对比，但并未涉及太阳能电池输出特性变化对收集效率的影响。

2 电路原型实现与测试

选择AmbiMax,Pilot和DuraCap三种MPPT电路结构，同时搭建了分别使用稳压器和二极管直接连接太阳能电池与可充电电池的电路，在光照充足的室外环境下，对它们的太阳能收集性能进行了测试。选择标称电压分别为4 V(实测最大功率点电压约为3.00 V)和5.5 V(实测最大功率点电压约为4.15 V)的太阳能电池，以及标称容量为1 000mAh的锂电池。使用Arduino作为外部控制器，其ADC通道用于测量电压和电流。

AmbiMax的运行需要确定最大功率点电压与光照强度的近似关系，而Pilot的实现则需要选择合适的参考太阳能电池。这里以标称电压为4 V的太阳能电池为基准，为AmbiMax和Pilot确定模型或硬件参数。对于AmbiMax，在不同的光照条件下，采集太阳能电池最大功率点电压及其对应的光照强度，建立映射模型如式(1)所示

(1)

式中VMPP为太阳能电池的最大功率点电压，Lux为对应的光照强度。

对于Pilot，为了使MPPT更加准确，需要使参考太阳能电池和主太阳能电池的特性尽可能一致。最有效的方法是使用一块与主太阳能电池大小、参数完全相同的参考电池，因此,采用相同的4 V太阳能电池作为参考电池。实际使用时，最大功率点电压与开路电压的比值设置为0.76[6]。

由于不同输出特性的太阳能电池的最大输出功率存在较大差异，因此,无法通过直接比较收集功率来评价更换太阳能电池的影响。为了有效对比上述电路结构连接不同的太阳能电池时的能量收集能力，定义收集效率为太阳能电池实际输出功率与最大输出功率的比值，如式(2)所示

η=POUT/PMPP

(2)

式中PMPP为太阳能电池的当前最大输出功率，POUT为实际输出功率。使用DuraCap的最大功率点搜索功能获得PMPP，当搜索频率足够高时，可以认为两次搜索之间的PMPP近似不变。

3 依赖性对比分析

首先使用标称电压为4 V的太阳能电池，此次测试的收集功率如图2(a)所示。可以看出，与使用二极管和稳压器直连的简单电路相比，实现了MPPT功能的收集电路能获得明显更高的输出功率。从收集功率来看，AmbiMax和DuraCap的性能基本一致，但略低于Pilot。这一点在图2(b)中更为明显，其给出了这些系统的能量累积情况。Pilot累积收集的能量最高，DuraCap和AmbiMax次之，二极管和稳压器直连最低。

图2(c)给出了这些系统平均收集效率的对比。可以看出，由于MPPT功能的实现，Pilot，DuraCap和AmbiMax均能获得较高的收集效率。其中,Pilot的收集效率最高，为79.24 %，而DuraCap和AmbiMax的收集效率基本相当，分别为76.15 %和76.25 %。二极管直连电路可以获得35.65 %的收集效率，而稳压器直连电路的收集效率仅有20.13 %。

图2 4 V太阳能电池板性能测试

为了评估上述电路结构与太阳能电池输出特性的耦合程度，在保持各收集电路硬件或模型参数不变的情况下，使用标称电压为5.5 V的太阳板电池重新进行了测试，其收集功率如图3(a)所示。明显可以看出，此时DuraCap获得了最高的输出功率。由于硬件或模型参数没有更新，AmbiMax和Pilot的性能均有所降低。值得注意的是，在此次测试中，二极管直连电路的性能甚至略优于Pilot和AmbiMax，表明该电路结构的性能也是与太阳能电池输出特性紧耦合的。稳压器直连电路的性能仍然是最差的。这一点在图3(b)中更为明显，其给出了这些系统的能量累积情况。DuraCap累积收集的能量最高，二极管直连电路累积收集的能量超过了Pilot和AmbiMax，稳压器直连电路最低。

从图3(c)可以看出，更换太阳能电池对DuraCap的收集能力基本没有影响，其平均收集效率仍可以达到78.05 %。然而，Pilot和AmbiMax与太阳能电池的输出参数却是紧耦合的，更换太阳能电池导致其平均收集效率分别下降了22.42 %和22.79 %。与Pilot和AmbiMax相反，二极管直连电路的平均收集效率提高了24.25 %。这意味着，通过简单匹配太阳能电池和充电电池的参数即可获得较好的能量收集效果。稳压器直连电路仍然是最差的，平均收集效率仅有21.66 %。此外，其收集能力亦不受更换太阳能电池的影响。

图3 5.5 V太阳能电池板性能测试

为了说明Pilot和AmbiMax收集效率降低的原因，图4给出了两次测试中DuraCap，Pilot和AmbiMax的输出电压对比。可以看出，第一次测试即使用标称电压为4 V的太阳能电池时，三种电路都能工作在最大功率点电压3.00 V附近。第二次测试即使用标称电压为5 V的太阳能电池时，只有DuraCap能够工作在最大功率点电压4.15 V附近，而Pilot和AmbiMax仍工作在3.00 V附近。这表明，针对标称电压为4 V的太阳能电池建立的模型或硬件参数与新的太阳能电池不再匹配，无法使其保持在最大功率点。因此，Pilot和AmbiMax与太阳能电池的输出特性是紧耦合的，需要根据所连接的太阳能电池调整模型或硬件参数。

图4 两次测试的输出电压对比

4 结束语

本文通过实测分析了典型微光伏系统对太阳能电池输出参数的依赖性。研究结果表明，取决于所采用的电路结构，更换太阳能电池可能会影响微光伏系统的能量收集性能，收集效率的变化高达22.42 %～24.25 %。因此，需要实现太阳能电池和微光伏电路结构的匹配，才能实现最优的太阳能收集。后续将深入研究二极管直连电路与太阳能电池的匹配问题，设计可用于超低成本物联网应用的微光伏系统。