Series and parallel linear voltage stabilization of small solar photovoltaic power supply
Time:2022-02-11
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太陽能光伏陣列似乎每天都變得更便宜、更高效,這使得它們在可再生和/或遠(yuǎn)程供電應(yīng)用中越來越實用。盡管如此,任何給定陣列產(chǎn)生的電壓隨負(fù)載、入射光強(qiáng)度和溫度而顯著變化,因此通常需要某種形式的調(diào)節(jié)。
陣列性能可以顯著受益于最大功率點跟蹤 (MPPT) 和開關(guān)模式調(diào)節(jié),如早期設(shè)計理念所示:太陽能陣列控制器不需要乘法器來最大化功率
但對于小型陣列,MPPT 和開關(guān)模式電路的額外復(fù)雜性似乎不合理,因此線性調(diào)節(jié)成為更簡單和更好的選擇。本設(shè)計理念針對此類系統(tǒng),重點關(guān)注串聯(lián)穩(wěn)壓器拓?fù)渑c并聯(lián)穩(wěn)壓器拓?fù)涞南鄬?yōu)勢。
讓我們從一個假設(shè)的小型太陽能電池陣列開始,該陣列針對 12W 輸出(在完全陽光直射下 ~1kW/m 2)、1A 和 12V、20% 的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了優(yōu)化,因此標(biāo)稱面積為 ~0.06m 2 = ~ 100 英寸2 . 然后添加線性調(diào)節(jié)電路,以在負(fù)載電流從 0 到 1A 變化時保持恒定的 12V 輸出。
圖 1說明了一個合適的串聯(lián)穩(wěn)壓器,而圖 2是一個類似的并聯(lián)拓?fù)洹楸阌诒容^并聯(lián)穩(wěn)壓與串聯(lián)穩(wěn)壓的優(yōu)勢,兩種穩(wěn)壓器均采用基于古老的 LM10 組合基準(zhǔn) + 運(yùn)算放大器的相同檢測/控制電路。
圖 1適用于小型太陽能電池陣列的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器。
圖 2適用于小型太陽能電池陣列的并聯(lián)線性穩(wěn)壓器。
如圖所示,LM10 200mV 內(nèi)部基準(zhǔn)(引腳 1 + 8)通過提供輸入偏置電流補(bǔ)償?shù)?R1 = R2R3/(R2 + R3) 驅(qū)動運(yùn)算放大器反相輸入(引腳 2),而同相輸入(引腳3) 通過 60:1 R2:R3 分壓器連接到 Vout (Vsetpoint = 200mV(R3/R2 + 1))。因此,運(yùn)算放大器輸出(引腳 6)將在
Vout < Vsetpoint 并且當(dāng) Vout > Vsetpoint 時為正。
在圖 1(串聯(lián)穩(wěn)壓器)中,引腳 6 通過限流 R4 連接到 D45 PNP 傳輸功率晶體管的基極,當(dāng) Vout < Vsetpoint 時增加驅(qū)動和負(fù)載電流,當(dāng) Vout > Vsetpoint 時減小它們。在圖 2(并聯(lián)穩(wěn)壓器)中,引腳 6 驅(qū)動 D44 NPN 并聯(lián)晶體管的基極,當(dāng) Vout > Vsetpoint 時將更多的陣列電流路由到地,而在 Vout > Vsetpoint 時則更少。
那么,哪種類型的調(diào)節(jié)(并聯(lián)或串聯(lián))更好,何時以及為什么?
為了回答這個一般性問題,將考慮三類特定的電路性能:
穩(wěn)壓器效率(在峰值需求時提供給負(fù)載的陣列功率的最大部分)
熱管理挑戰(zhàn)(主要由功率晶體管散熱器所需的熱容量決定,反過來又由最大晶體管功耗決定)
調(diào)節(jié)類型對太陽能電池陣列溫度的影響,從而對陣列轉(zhuǎn)換效率的影響
調(diào)節(jié)器效率
當(dāng) D45 傳輸晶體管導(dǎo)通并接近飽和時,串聯(lián)拓?fù)涞臐M載 (1A) 效率受三個因素的限制:
LM10 和 R2R3 分壓器的電流消耗 = 312uA(典型值)
D45 的基本驅(qū)動@Ic = 1A = 10mA(典型值)
D45 的飽和壓降 @Ic = 1A = 100mV(typ)
將這些損失相加,估計典型效率因子為 98%。
相比之下,在分流拓?fù)渲?,D44 功率晶體管在滿載時完全關(guān)閉,陣列和輸出之間的連接是直接的,只留下上述三個因素中的一個來競爭輸出電流:#1——312uA LM10 電流。這導(dǎo)致近乎完美的 99.97% 效率。
結(jié)論:就效率而言,串聯(lián)非常好,但并聯(lián)(實際上)是完美的。請注意,該結(jié)果與串聯(lián)穩(wěn)壓效率通常高于并聯(lián)穩(wěn)壓效率的普遍預(yù)期不同。
熱管理挑戰(zhàn)
D45 系列傳輸晶體管的最大熱耗散約為 1.33W,發(fā)生在 0.66A 負(fù)載電流時,可由小型夾式散熱器容納。的D44并聯(lián)晶體管的最大功耗,相比之下,發(fā)生在零負(fù)載電流和大得多:?4.5W,需要相當(dāng)大和笨重的擠壓片,以限制可接受的溫度上升(?40 ö和自然對流的條件下C)輻射。
根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn),串聯(lián)調(diào)節(jié)是明顯的贏家,(酷)因子大于 3。
調(diào)節(jié)方式對太陽能電池陣列溫度的影響
太陽能電池陣列吸收的總太陽能只能通過兩種方式: 1. 轉(zhuǎn)換為電能輸送到連接的電路;或 2. 陣列散發(fā)的熱量。熱力學(xué)第一定律規(guī)定后兩者之和必須始終完全等于前者。因此,連接的負(fù)載接受的電力越少,陣列必須以熱量的形式釋放的電力就越多,這不可避免地會增加陣列的溫度。
串聯(lián)調(diào)節(jié)會導(dǎo)致大部分未被負(fù)載接受的功率被陣列耗散(記住 D45 保持多冷),而并聯(lián)調(diào)節(jié)則耗散 D44 晶體管和 R4 中被拒絕的功率。因此,在部分負(fù)荷,有20%的效率分流調(diào)節(jié)面板運(yùn)行冷卻器比串聯(lián)調(diào)節(jié)面板,由多達(dá)10 ö C.太陽能陣列轉(zhuǎn)換效率0.3%與溫度的上升下降到0.4%/ ø C,使得在某些情況下,并聯(lián)調(diào)節(jié)面板的效率可能比串聯(lián)調(diào)節(jié)面板高 3% 或 4%。
按照這個標(biāo)準(zhǔn),分流調(diào)節(jié)顯然是優(yōu)越的。
總而言之,我們看到了一個混合包:分流調(diào)節(jié)是否通過在三個 ABC 中擊敗兩個系列賽來贏得設(shè)計德比?這取決于。在設(shè)計者選擇穩(wěn)壓器類型時平衡相互沖突的標(biāo)準(zhǔn)將取決于相互競爭的優(yōu)先級,因為它們在特定應(yīng)用的詳細(xì)要求中自行分類。
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