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  • 小型太陽能光伏電源的串聯以及并聯線性穩壓
    小型太陽能光伏電源的串聯以及并聯線性穩壓
  • 小型太陽能光伏電源的串聯以及并聯線性穩壓
  • 來源:BenTseng  發布日期: 2021-10-22  瀏覽次數: 2,132

    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/或遠程供電應用中越來越實用。盡管如此,任何給定陣列產生的電壓隨負載、入射光強度和溫度而顯著變化,因此通常需要某種形式的調節。

    陣列性能可以顯著受益于最大功率點跟蹤 (MPPT) 和開關模式調節,如早期設計理念所示: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 和開關模式電路的額外復雜性似乎不合理,因此線性調節成為更簡單和更好的選擇。本設計理念針對此類系統,重點關注串聯穩壓器拓撲與并聯穩壓器拓撲的相對優勢。

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    讓我們從一個假設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% 的光電轉換效率進行了優化,因此標稱面積為 ~0.06m 2 = ~ 100 英寸2 . 然后添加線性調節電路,以在負載電流從 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穩壓器,而圖 2是一個類似的并聯拓撲。為便于比較并聯穩壓與串聯穩壓的優勢,兩種穩壓器均采用基于古老的 LM10 組合基準 +?運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線性穩壓器

     

    圖 2適用于小型太陽能電池陣列的并聯線性穩壓器。

    如圖所示,LM10 200mV 內部基準(引腳 1 + 8)通過提供輸入偏置電流補償的 R1 = R2R3/(R2 + R3) 驅動運算放大器反相輸入(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,運算放大器輸出(引腳 6)將在

    Vout < Vsetpoint 并且當 Vout > Vsetpoint 時為正。

    在圖 1(串聯穩壓器)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 Vout < Vsetpoint 時增加驅動和負載電流,當 Vout > Vsetpoint 時減小它們。在圖 2(并聯穩壓器)中,引腳 6 驅動 D44 NPN 并聯晶體管的基極,當 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,哪種類型的調節(并聯或串聯)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:

    穩壓器效率(在峰值需求時提供給負載的陣列功率的最大部分)

    熱管理挑戰(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)

    調節類型對太陽能電池陣列溫度的影響,從而對陣列轉換效率的影響

    調節器效率

    當 D45 傳輸晶體管導通并接近飽和時,串聯拓撲的滿載 (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,在分流拓撲中,D44 功率晶體管在滿載時完全關閉,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。這導致近乎完美的 99.97% 效率。

    結論:就效率而言,串聯非常好,但并聯(實際上)是完美的。請注意,該結果與串聯穩壓效率通常高于并聯穩壓效率的普遍預期不同。

    熱管理挑戰

    D45 系列傳輸晶體管的最大熱耗散約為 1.33W,發生在 0.66A 負載電流時,可由小型夾式散熱器容納。的D44并聯晶體管的最大功耗,相比之下,發生在零負載電流和大得多:?4.5W,需要相當大和笨重的擠壓片,以限制可接受的溫度上升(?40 ?和自然對流的條件下C)輻射。

    根據這個標準,串聯調節是明顯的贏家,(酷)因子大于 3。

    調節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. 轉換為電能輸送到連接的電路;或 2. 陣列散發的熱量。熱力學第一定律規定后兩者之和必須始終完全等于前者。因此,連接的負載接受的電力越少,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。

    串聯調節會導致大部分未被負載接受的功率被陣列耗散(記住 D45 保持多冷),而并聯調節則耗散 D44 晶體管和 R4 中被拒絕的功率。因此,在部分負荷,有20%的效率分流調節面板運行冷卻器比串聯調節面板,由多達10 ? C.太陽能陣列轉換效率0.3%與溫度的上升下降到0.4%/ ? C,使得在某些情況下,并聯調節面板的效率可能比串聯調節面板高 3% 或 4%。


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