便携式小型LED灯的太阳能收集系统外文翻译资料

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便携式小型LED灯的太阳能收集系统

摘要：本文介绍了一种太阳能收集（EH）系统，用于为便携式小型LED灯供电，该灯可在白天充电并在夜间使用。太阳能灯由三个光伏面板，一个EH和电源管理电路，三个镍氢充电电池和一个LED组成。使用商用的现成芯片TIBQ25504来为所提出的系统对EH和电源管理电路进行原型设计。实验结果表明，所提出的光伏系统可以在室内和室外环境中收获太阳能。拟议系统采集的峰值净功率在晴天约为380mW，部分阴天为250mW，阴天为30mW

1.介绍

从浪费的环境能源中收集小规模能源已经吸引了无线传感器网络，植入式设备和电池供电系统等应用的巨大兴趣。为这些应用更换充电电池不方便，昂贵或不切实际。从环境能源中收集能量（EH）为这个问题提供了一个有前途的解决方案。太阳能能提供所有环境能源中最高的能量密度，包括振动，热能和射频。此外，太阳能EH成本低，环保。

Nasiri等人研究了各种电路配置，包括用于低成本室内太阳能EH系统的可充电电池和超级电容器。他们得出结论：一个简单的电路配置，光伏（PV）面板，二极管，然后是可充电电池的串联连接，提供了一个低成本和可靠的解决方案。但是，随着电池电压在充电期间增加，电路的效率降低。此外，简单的系统不执行最大功率点跟踪（MPPT），这进一步降低了效率，特别是在变化的光照条件下。

在本文中，介绍了一种太阳能EH系统，为便携式小型LED灯供电，可在白天充电，并在夜间使用。灯的便携性和小尺寸是很重要的，因为它可能必须将灯从一个地方移动到另一个地方，或一个房间到另一个房间，以求在房屋内收获更多的太阳能。

系统由三个光伏面板，一个EH和电源管理电路，三个镍氢充电电池和一个LED组成。EH和电源管理电路采用商用现成芯片德州仪器（TI）BQ25504进行原型开发。TI芯片旨在进行小规模能量收集，并采用基于分数开路电压技术的MPPT方案。实验结果表明，该系统在美国弗吉尼亚州的一个阳光灿烂的中午可以收获约380mW的辐射水平，约130,000勒克斯。

本文的结构如下。第二节描述了太阳能LED灯的简单电路配置及其缺点。还简要介绍了用于该系统的EH和电源管理芯片TIBQ25504。第三节描述了便携式LED灯的能量收集系统。第四节介绍了在各种条件下提出的EH系统的实验结果，并将其性能与一个简单的系统进行比较，第五部分得出结论。

2.预备工作

A.简单的太阳能收集系统

一个便携式LED灯的太阳能收集系统如图1所示。它由一个或几个小尺寸PV面板，一个可充电电池和一个LED组成。太阳能被收获并存储在可充电电池中，该电池为LED供电。

图1 LED灯的简单太阳能EH系统的框图

太阳能灯的简单电路是通过阻塞二极管将电池直接连接到PV电池板，如图2所示。本文中称为“简单系统”的电路配置被认为是最适合室内太阳能EH。简单的系统提供了一个可靠的解决方案，但它有以下缺点。首先，只有当PV电压高于电池电压和二极管电压降的总和时才对电池充电。因此，在阴天等低辐照水平下可能无法收获能量。其次，随着电池电压在充电过程中增加，效率降低。第三，PV电池的最大功率点取决于光照条件。所以，在不同的光照条件下，MPPT对于从PV电池提取最大功率是必要的。简单系统缺乏MPPT，无法提取最大功率，导致效率低下。

图2 太阳能LED灯的简单系统

B.能量收集和电源管理IC

TIBQ25504芯片旨在用于小规模能量收集并控制升压转换器。它基于部分开路电压（FOCV）技术对太阳能EH进行MPPT，该技术测量PV面板的开路电压并将PV电压调节到预定分数（通常在0.7至0.8的范围内）开路电压。用于FOCV技术的MPPT电路相对简单地消耗小功率，因此FOCV技术适用于低功率PV应用。FOCV技术的一个缺点是PV板应该从负载断开以测量开路电压，并且在此期间由PV板收集的能量被浪费掉了。

TIBQ25504的低功率升压转换器使太阳能EH系统能够在各种输入电压下为电池充电。升压转换器可以低至330mV的输入电压启动，并可继续在80mV至5.5V的输入电压下工作。该芯片提供低静态电流（小于330nA）和推荐的电池电压范围工作条件为2.5V至5.25V.集成片内温度传感器可监测结温，并允许器件在最小和最大温度范围附近避免不稳定工作。

3.本节介绍拟议太阳能收集系统中的太阳能

A.EH系统

便携式小型LED灯，如图3所示。它有两个大型PV面板和一个小面板。图3（a）中标注为A和B的两块大型PV面板连接在灯座底部，可以在不使用时折叠。标注为C的小型PV面板连接在LED灯箱的背面。两块大型太阳能电池板的尺寸为53mmtimes;53mmtimes;2mm（长times;宽times;高），小尺寸为40mmtimes;40毫米times;2毫米。三个镍氢电池以及EH和电源管理电路位于PV面板的下方附在PV面板B背面的外壳（标注为图3中的D）连接到带有开/关开关的可变电阻器。它用于控制灯的光强度并打开或关闭灯。

（a）展开 （b）折叠

图3 建议的太阳能灯

图4显示了我们的LED灯提出的太阳能EH系统的框图。并联连接的三个光伏电池板的输出应用于EH和电源管理电路，TIBQ25504芯片。TI芯片基于FOCV技术执行MPPT并调节输出电压以对可充电电池充电。三个额定电压为1.2V的1000mAh镍氢充电电池串联连接，电池标称电压为3.6V的LED的最大额定功率为4W，典型正向电压为3.25V。

图4 建议的太阳能EH系统的框图

使用太阳能模拟器测量大型PV面板的功率，以确定最大功率点，其中PV面板连接至可变电阻器并在50000勒克斯照射下进行照射。测量结果如图5所示。随着PV面板电压（或负载电压）的增加，功率稳定增加直至达到峰值功率点。最大功率（约64mW）在4.65V的PV面板电压下获得，约为开路电压5.47V的85％。实现FOCV方案所需的比率（=0.85），以及对于所提出的EH系统的TIBQ25504芯片来说相应地设置。请注意，太阳模拟器下的最大功率约为64mW，但如第四节所示，它在全日照下大幅增加。

图5 采用50,000勒克斯的室内太阳模拟器的PV面板的电压和功率

B.电源管理电路

要在最大功率点运行每个面板，每个PV面板都需要一个专用电源管理电路。然而，由于大量电源管理电路会增加总功耗，因此不一定会产生最大的净能量。因此，本系统的三个PV面板共用一个电源管理电路TIBQ25504。由于两个大面板比较小的面板产生的功率更大，并且两个面板可能在相同的照明条件下，所以我们的系统的开路电压的目标部分为85％。

图6显示了所提出的系统的TIBQ25504的电路配置。每个PV面板通过阻塞二极管并联连接，防止电流从较高电压PV面板流向较低电压面板。两个电阻ROC1（=18MOmega;）和ROC2（=2MOmega;）将开路电压的分数设置为80％，略低于上述85％的最佳比例。较低的比率意图避免功率在最大功率点电压以上的急剧下降区域。（参见图5）TI芯片每16秒对开路电压进行采样，采样电压保持在低漏电容CREF上，作为PV电压调节的参考电压。两个电阻ROV1（=4.12MOmega;）和ROV2（=5.90MOmega;）设定了我们设计的过电压，即4.38V.RUV1（=5.60MOmega;）和RUV2（=4.42MOmega;）设置欠压，即2.24V。欠压和过压限制可通过将输出电压保持在该范围内来保护电池。

图6 EH和电源管理电路TIBQ25504的配置

C.原型

EH和电源管理电路的原型如图7所示。定制的PCB实现了图6中的电路，包括TIBQ25504在内的所有部件都是表面安装的。PCB的尺寸大约为31毫米times;24毫米（长times;宽）。

图7 EH和电源管理电路的原型

4.实验结果

我们在2015年3月在美国弗吉尼亚州测量了太阳能EH系统在室内和室外条件下的性能。室外测量是在三种不同天气条件下进行的：阳光充足的日子，照射水平为130000勒克斯，局部阴天一天56000勒克斯，一天多达8000勒克斯。电量是在电池的输入端测量的。所以报告的功率水平指示由所提议的系统收获的净功率，其中TI芯片的功耗从太阳能电池板收集的功率中减去。此外，每次测量开始时电池几乎完全放电，因此每次测量时电池的初始状态大致相同。为了比较所提出的系统与图2所示的简单系统的性能，我们还测量了简单系统的功率。

A.两个系统的室内测量结果

图8显示了所提出的系统和室内照明条件下的简单系统的测量结果，具体地在照射水平为8000勒克斯的荧光灯泡下。所提出的系统收集的最大净功率约为4.7mW，而简单的系统几乎不会收获任何能量。我们观察到，在室内照明条件下，电源管理电路TIBQ25505本身消耗约3mW，这意味着从PV面板收集的能量约为7.7mW。测量结果表明，简单的系统在室内环境下实际上无法获得电力。

图8 在8000勒克斯的室内荧光灯下，为两个系统收获的功率

我们重复了同样的实验，但是使用太阳模拟器将照射水平提高到50000勒克斯。我们还对充电过程中电池电压对系统效率的影响感兴趣。图9显示了两个系统在20小时内的测量结果。为拟议系统收集的峰值净功率最初为57mW，在两小时后稳定在112mW，而在其余时期保持不变。相比之下，为简单系统收获的功率最初为106mW，在第一分钟内急剧下降至67mW左右。随着充电过程的进行，功率会持续下降，在充电过程结束时，即20小时后，功率将变为16mW。与20分钟后的最后功率一分钟后的功率相比，简单系统的效率下降了4.2倍。如第II.A节所述，预计进入电池的电流会随着电池电压的增加而降低。实验验证了所提出系统的效率在充电过程中保持不变，而简单系统的效率在充电过程中降低。

图9 使用50000勒克斯的室内太阳模拟器通过两个系统采集的功率

B.建议系统的户外测量结果

图10显示了所提出的系统在三种不同室外天气条件下的测量结果，全天候，部分多云和多云。在晴天（130000勒克斯），在部分阴天（56000勒克斯）下，250毫瓦，阴天（8000勒克斯）下，31毫瓦，收获378毫瓦。由于每个可充电电池的容量为1000毫安时，在完全阳光下充满电需要大约十个小时。

当发光强度从阴天增加七倍到部分阴天时，功率增加八倍。当从部分阴天到晴天，强度增加2.3倍时，功率只增加1.5倍。预计随着发光强度变高，功率水平开始饱和。有趣的是，阴天的功率水平比室内荧光灯泡高6倍，但发光强度与8000勒克斯相同。这可能是由于户外太阳光谱与荧光灯泡不同，并且PV电池针对室外太阳光谱进行了优化。

图10 建议系统在室外条件下收集的功率

我们观察到，一旦电池充满电，LED灯可以在全光强度下点亮约三个小时。LED灯的功率最初为1.5W如图11所示，三小时后功率降低到0.6W以下。标称LED灯功率为4W，在中等和低光强度设置下，LED灯可以大幅度点亮。

图11 在全光强下LED和电池电压消耗的功率

C.两个系统的户外测量结果

图12比较了在三种室外条件下所提出的系统与简单系统的实验结果。拟议的系统在130,000勒克斯的全阳光下收获378mW，而简单系统收获355mW，差别为23mW。两个系统的太阳能电池板在太阳下产生足够高的电压，因此简单的系统可以达到相对较高的效率。应该注意的是，PV和电池电压之间的较大电压差导致简单系统的较高效率，并且在测量开始时电池几乎完全放电。

在部分多云天气下（56,000勒克斯），这两个系统的功率差异从全日照下的23mW略微增加到30mW。部分阴天的较低PV电压会降低简单系统的效率。

在阴天（8000勒克斯）下，拟议系统的最高净收获功率为31mW，而简单系统的净收获功率仅为18mW。三个天气条件下，阴天的功率差异为13mW，最小。这主要归因于所提出的系统的效率降低，因为与其他两种天气条件相比，MPPT对收集的功率的影响较小并且芯片的功耗变得更加显着。尽管简单的系统几乎不能在室内环境（低于8000勒克斯）下获得任何功率，但在相同的发光强度下，室外可以获得18mW的功率。

实验结果表明，所提出的系统比所有三种天气条件下的简单天气收获更多的能量，并且值得注意的是，在部分阴天实现最大的差异。在结束本节之前，需要注意的是，图12中的实验结果比较了两个系统在前两秒的性能。简单系统的性能在充电过程中持续下降过程如图9所示，而所提出的系统的性能保持大致相同，使我们的系统更有效率。

图12 在室外条件下由两个系统收获的功率

5.结论

用于小规模太阳能收集的简单系统是通过阻塞二极管将PV面板直接连接至可充电电池。该系统的主要缺点是在充电过程中随着电池电压的升高，效率降低。此外，简单的系统不执行MPPT，这进一步降低了效率，特别是在变化的光照条件下。

本文介绍了一种太阳能EH系统，为便携式小型LED灯供电。可在白天进行充电，并在夜间使用。太阳能灯由三个光伏面板，一个EH和电源管理电路，三个镍氢充电电池和一个LED组成。一个商用的现成芯片TIBQ25504被用于为所提出的系统建立EH和电源管理电路的原型。

实验结果表明，所提出的光伏系统可以在室内和室外环境中收获太阳能。拟议系统采集的峰值净功率在晴天约为380mW，部分阴天为250mW，阴天为30mW。所提出的系统可以在照射水平为8000勒克斯的荧光灯下收获4.7mW。据估计，建议的系统在充足的阳光下需要大约十个小时才能完全给电池充电。我们观察到，一旦电池充满电，LED灯可以在全光强度下点亮大约三个小时。在中等和低光强度设置下，LED灯可以大幅度点亮。

总之，所提出

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