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从小微能量到大规模智能电网,太阳能采集小有用处大有作为

关键词:智能电网 能量采集技术 无线传感器 太阳能采集

时间:2018-07-19 13:48:38       来源:网络

2017年12月28日,全球第一条光伏高速公路,济南光伏高速公路正式通车。这个巨大的“太阳能电池板”面积5874平方米,发电量可达100万千瓦时。与这条“网红”公路相比,大规模的成熟太阳能采集毫无疑问因为其越来越具成本效应已经在全球部署,包括苹果、亚马逊等全球领先的数据中心采用太阳能实现的低成本供电。

太阳蕴含了近乎取之不尽用之不竭的能量,但如何将其高效利用也是一门学问。相较数据中心、光伏公路等大量采集的“大体量”,太阳能在物联网领域更多以小微能量采集形式而广泛存在。

为物联网发展提供节点供电,让“小微能量”采集日益普及

随着物联网技术的推广以及可穿戴产品的普及,在全球提倡能源可持续利用的当下,能量采集技术应运而生,并发展迅猛。无线传感器、可穿戴电子设备、甚至是植入式医疗监测等等,越来越多的应用都将用到能量采集技术、能源管理系统和可充电电池,以便能够在整个产品生命周期中持续使用。


太阳能采集广泛应用于室内和户外多种应用场景

如何将能量收集起来进行利用的关键需要解决两方面的难题:一是芯片自身低功耗,二是怎么提高转换效率,这对能量采集芯片设计都是不小的挑战。由于采集到的能量非常微小,很难直接应用,必须积少成多地把它们收集并管理起来,这也涉及到能量存储及减小漏电流的问题,需要有能连续存储并极低漏电流的存储器件,只有漏电流远远小于收集的能量,这些采集来的能量才有可能会被用到。同时也必须要求器件的超低工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡,能量采集才能真正被广泛应用。

因此,在进行能量采集系统设计时要在允许的条件下尽可能采用多种能量采集技术,以保证任何条件下都能正常工作。而在能量采集技术和市场未来发展的趋势上,太阳能的能量采集将会较快地被应用到产品中,因为这一技术可以在任何有光的场合进行利用,而且该技术目前已经比较成熟,接受度高。目前比较成熟的能量采集方案就包括了利用太阳能取电及利用电流互感器饱和特性的取电两种能量收集。

针对能量采集芯片的挑战,大幅提高转换效率需要考虑多方面的因素,不是一个很容易解决的问题,而大幅度降低芯片自身的功耗及管理好采集到的能量则相对比较容易实现。ADI一系列基于太阳能的能量采集芯片ADP5090/5091/5092,是非常好的解决方案。首先它具有极低的功耗(<300nA)并在很低的电压(380mV)下即可启动工作,同时可以管理采集到的微能量并给电池(锂电池、薄膜电池、超级电容等)和电容充电,使之达到负载所需的工作电压。此外它可以支持突发性的射频输出或MCU,并支持第二个后备电池。对于如何提高太阳能的转换效率,该系列芯片特别设计了MPPT(最大功率点跟踪控制)功能来保证太阳能电池板能一直工作在最大功率点上,只需要手表盘大小的太阳能电池板即可工作。因此,该系列芯片广泛用于可见光照射下的任何便携式设备、无供电电源的传感器、无线发射模块、可穿戴设备等多种应用中。


ADP5090超低功耗升压调节器,集成MPPT和电荷管理功能

玩转智能电网,隔离技术让“大能量”采集更稳定

在探索太阳能这个领域,ADI能做的还远不止小微能量采集。如果将太阳辐射利用太阳能光伏(PV)电池板转换为电能,实现将光子能量转换成电子流,进而形成电流,再利用太阳能光伏逆变器进一步将来自太阳能电池板的直流电(类似于直流电流源)转换成交流,并以正确的相位关系馈送到公用电网并高效部署,其效率可高达98%。

早期太阳能PV逆变器只是将电能转储到公用电网的模块,较新设计则强调安全性、智能电网整合并削减成本。设计人员正在考虑采用现有太阳能逆变器模块中未使用的新技术来改善性能和降低成本。一个关键因素是基于计算机的仪器仪表和控制,但必须使用隔离栅来保护测量和计算电路,使其不受功率处理电路以及开关所引起的瞬态信号影响。因此,智能电网整合的一项重要局部特性可能是储能,即通过将不需要的电能储存起来供高峰时段使用,从而减少电网中的湍流。

因此,电流隔离是实施智能电网来整合大量太阳能光伏逆变器时所需测量和控制系统的一项重要要求。ADI隔离式ADC AD7401A能够利用单个解决方案测量大电流和直流注入电流,有助于构建高效而紧凑的智能电网整合电路,同时ADI隔离式栅极驱动器ADuM4223具有良好的共模瞬变抗扰度特性,有助于确保这些新型PV逆变器系统的安全性和可靠性,可提供满足新型太阳能PV逆变器设计要求的性能。

ADuM4223是4A隔离式半桥栅极驱动器,其采用ADI公司的iCoupler技术,能够提供独立且隔离的高端和低端输出。在iCoupler技术中,变压器会在两个单独供电的电路之间耦合数据,同时避免这两个电路之间存在任何电流连接。变压器采用晶圆级工艺直接在片内制造,位于镀金层下方的高击穿电压聚酰亚胺层将上方线圈与下方线圈隔离开来,利用1 ns脉冲编码的输入逻辑转换送至变压器的原边,从一个变压器线圈耦合到另一个变压器线圈的脉冲由变压器副边上的电路来检测。


采用数字隔离的4 A栅极驱动器

新技术是促成智能电网整合和绿色能源安全高效生产的主要因素——在稳定电网和提高电网系统上所有工作人员的安全性方面扮演着重要角色。而上述隔离产品仅是ADI针对工业测量和控制的丰富创新产品中的典型案例。

领先技术加持丰富产品,ADI诠释何为“头号玩家”

正是由于ADI在高精度信号测量和控制方面处于业界领先地位,致力于以极具成本竞争力的高质量IC实现可靠的计量、测量、监控和控制,因此其产品广泛用于包括太阳能在内的多种再生能源、输配电以及水、电、气计量应用。同时凭借在优化系统级信号处理性能方面的成熟经验,可以为开发人员提供精密、可靠、易于设计的能源管理解决方案,是能量采集领域真正意义上的“头号玩家”。

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