成本优化的太阳能供电公共服务基础设施进行能量存储、照明和通信时需要考虑的因素

转向更加环保的解决方案是当前的一种趋势，与这种趋势一致的是自助维持运行的太阳能供电基础设施开始在全世界采用。为了改进客户服务、便利性和安全性，具有夜间照明和无线通信能力的公共服务站数量日益增多。有照明和可实时提供到达时间信息的公交站正在北美出现。太阳能供电售票亭也正在欧洲出现。在无法具成本效益地建造电力及有线通信基础设施的偏远地区，也可提供这类设施。这类设施都必须能进行无线通信，以执行各自的功能。概念验证已经有了，但是我们怎样才能优化系统内的电源网络，以最高效率利用可得到的太阳光，从而最大限度地延长运行时间并最大限度地降低成本?

太阳能电池工作特性
太阳能电池板产生能量的多少与接收到的光照量成正比。云、树木、灰尘、太阳能电池板的表面积以及太阳的旋转都会产生影响，这些影响可能使可用来发电的光照量产生极大的波动。加之太阳能电池具有高的源阻抗特性，所以在负载试图抽取相对大的恒定电流时，大多数情况下，可能在几段时间内会遇到对负载、充电器和电池无电可供的情况。因此，必须应用一种电路，以仔细控制电流，并相应地最大限度提高太阳能电池供给充电单元的功率。

太阳能电池板的典型输出电流和输出电压特性如图 1 所示。这里出现了一个有趣的趋势，即就给定太阳能电池板而言，不管照明条件如何，当输出电压处于一个相对恒定的电压 V_MPP 时，太阳能电池板会提供最大输出功率。通过查看感兴趣的太阳能电池板的技术文件，可以找到电压 V_MPP。同时，也可以用一种很好的方法来独立验证 V_MPP 数值，通过在同样的照明条件下逐渐增大或减小负载，画出如图 1 所示的那种 I-V 曲线，而让太阳能电池板以各种不同的角度面对太阳，就可以非常容易地形成各种照明条件。

图 1：典型太阳能电池板的输出电流和功率随输出电压变化的曲线

仅查看一个真实的太阳能电池板性能曲线，理解不了在电压等于 V_MPP 时抽取功率的重要性。图 2 中的数据是在晴朗的天空下，在凌力尔特公司位于美国加利福尼亚州米尔皮塔斯的公司园区内，用一个自动负载箱和直接面对太阳的太阳能电池板情况下，在 1 分钟时间内收集的。如该图所示，在阳光直射的情况下，一个不受控制的负载可能使得净输出功率在低于 2W 至 47W 的范围内变化。如果有可能保持太阳能电池板的输出电压约为恒定的 13V，那么我们就可以保证向负载提供最大功率。可是这个任务怎样才能完成呢？

图 2：Solec S-70C 太阳能电池板：输出电流随输出电压变化的曲线

优化太阳能电池的功率
利用太阳能发电的成本仍然高于煤、天然气等传统能源，部分原因是太阳能电池的价格很高。尽管每瓦的价格在下降，但 SolarBuzz.com 于 2011 年 7 月发布的一份研究报告显示，视批量和技术的不同而不同，以每瓦峰值功率发电量计算，太阳能电池的价格仍然处于0.96 至 2.54 欧元之间。如前所述，非理想的太阳照射条件常常妨碍太阳能电池板以峰值发电量工作。此外，就太阳能供电应用而言，太阳能电池板和负载 (在电压不等于 V_MPP 时工作) 之间任何潜在的阻抗失配都必须考虑，而且在计算太阳能电池板的发电量时要包括这个因素，以将这个因素的影响加入到系统的设计中。随着失配的降低，在实现同样的功率输出时，太阳能电池板的尺寸和价格也会减小和降低。

减少阻抗失配的一种简便的方法是在太阳能电池板的输出与负载之间使用一个最大峰值功率跟踪 (MPPT) 电路。特别之处是，该电路可改变电流负载以保持电压在 V_MPP。这种电路可以采用分立 (使用大量的组件) 或集成于一个器件 (如 LTM8062 开关µModule 电池充电器) 的方式来设计。LTM8062 所提供的 MPPT 是一种简单的解决方案，可利用单个电阻器进行调节以确保能够在相差很大的照明条件下向负载输送最大的功率。通过比较两款相同配置方案的输出功率，可以最好地展现 MPPT 电路的有效性，两款方案均采用一块 Solec S-70C 太阳能板，其一启用了 MPPT，另一个则停用了 MPPT，后者可通过将 LTM8062 的 V_INREG 引脚电平拉至 V_IN 来实现。测试电路原理图在图 3 中给出。

图 3：最大充电电流为 6A 时，MPPT 有效性的测试电路原理图

能量存储：电路比较组件和配置
LTM8062 是一款高效率的集成式恒定电流 / 恒定电压 (CC/CV) 降压型开关电池充电器解决方案，在 4.95V 至 32V 的输入电压范围内工作。高达 18.8V 的用户可编程电池浮置电压允许该器件支持一个由多达 8 节密封铅酸电池、4 节锂离子或锂聚合物电池或者 5 节磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池组成的电池