这些应用范围十分广泛，从便携式高速公路标志和施工区域的危险警示灯，到远程泵站和通信塔，不一而足。事实上，太阳能正成为新一代离网应用的可行能源。.
总有一些应用无法直接由电网供电：例如，设备可能需要便携，如高速公路标志或施工区域的危险警示灯；或者，像变电站和通信塔那样，其位置可能过于偏远，电网无法覆盖。
利用太阳能为离网应用供电时，一些最关键的设计决策与供电系统本身的固有优缺点息息相关。这些因素主要取决于负载类型和需求模式，而这些又因应用而异。
负载分析。
图 1 显示了构成所有太阳能设计基础的高级系统框图。在设计过程的初期，必须透彻了解主要负载特性及其随时间的变化规律，以便在每种应用中实现接收、存储和使用能量之间的平衡。
负载的形状和大小各不相同：可以是恒定的，也可以是变化的；可以是白天的，也可以是晚上的；可以是间歇性的，也可以是每周 7 天、每天 24 小时运行的。.
分析每种应用负载的类型和特性将决定系统的实现方式。例如，施工区域使用的危险警示灯具有恒定、脉冲式和夜间三种负载类型。这种类型的负载可以在白天充电，并且可以通过选择合适的电池容量来确保危险警示灯有足够的电力持续工作一整夜。相比之下，高速公路信号灯的负载是脉冲式的，需要昼夜运行。在这种情况下，电池和系统的容量必须能够支持白天的恒定负载，并同时为电池组充电，以确保信号灯在夜间也能正常工作。.
水泵也需要昼夜运行，但其负载并非恒定不变，而是间歇性的。在这种情况下，需要评估系统故障的可能性，并且系统设计必须能够应对最坏情况，包括配备备用系统，以防太阳能不足以驱动系统运行。例如，雨水泵站就需要备用系统，因为下雨时阳光稀少，难以给电池充电，而这恰恰是系统使用最频繁的时候：雨中或雨后。
每个离网应用都有其自身的负载类型，但图 2 显示了危险信号灯、公路信息标志和水泵的负载模式。
关键在于了解日均负荷的大小、频率及其运行特性。一旦确定了负荷及其运行条件，确定储能需求就相对容易了。.
储能：
基本储能需求可通过简单的能量平衡法，在24小时内计算得出。图3展示了运行条件及其对电池容量的影响。储能容量将由该表左侧的数据确定。
负载可以是可预测的，例如高速公路闪光灯；也可以是变化很大的，例如水泵应用。管理可变负载涉及两种可能的情况：正常运行（涵盖 95% 的情况）和最坏情况运行（涵盖剩余部分）。在正常情况下，储能元件可以在白天充电，并拥有足够的存储容量来为负载供电一整夜。然而，在最坏情况下，水泵可能在黄昏时分开始运行，并整夜满负荷运转。以下公式通过汇总未充电时间段内的最大小时负载能量，计算出最坏情况下的储能需求。.
所需储能量 = 每小时负载最大能量 * (24 小时 - 负载时间)
在最坏的情况下，假设电池或储能元件中仍保留部分能量，但应考虑运行前电池组未充满电的影响。
在所有应用中，故障的影响和成本都是一个主要考虑因素，例如危险警告信号失效或水泵无法运行的潜在影响。一种显而易见的缓解方法是增加储能元件的容量。然而，总存在绝对的最坏情况。在无法容忍故障或很少需要最大功率的情况下，可以考虑根据正常运行情况设计系统容量，并添加备用系统，例如柴油发电机。
图 3 左侧显示了储能需求，右侧可用于确定太阳能电池阵列的容量。
太阳能电池板尺寸选择：
如果充分了解负载需求，则可以调整太阳能电池板的尺寸。根据图 3，太阳能电池板的尺寸应满足指定负载时间内所需的储能容量，并能应对同一时间段内的平均负载输出。这种高层次的关系可以用以下公式表示：
太阳能电池板输出功率 =
储能容量 +
充电时间
+ 平均充电功率
利用简化的能量平衡法，可以估算储能组件和太阳能电池板的尺寸。然而，为了更精确地估算尺寸，还必须考虑其他内部和外部因素。
一个关键的外部因素是地理位置，更具体地说，是离网应用的纬度。仅此一项就能决定预期的太阳辐射峰值及其全年变化。由于地理位置相对于太阳的位置，冬季太阳辐射量最低，夏季最高。
其他外部因素包括云量和环境温度，它们也会对系统预期接收的阳光量以及能量转换效率产生不利影响。这些外部因素必然会因应用场景和地点而异。
内部因素，例如系统架构及其接口，也会影响系统组件的尺寸。在前面的例子中，储能装置和太阳能电池板的尺寸决定了可提供的能量和功率。然而，由于实现 100% 的转换效率是不可能的，因此必须控制这些不可避免的损耗。这意味着在计算所需产生的能量时，必须考虑电力电子设备。
电力电子：
虽然图 1 中的系统框图解释了能量平衡，但要考虑影响元件尺寸的内部因素，还需要更多信息。图 4 提供了系统实现的更多细节，并包含影响电力电子策略的问题。
该电源策略基于微控制器，具有固有的高度灵活性。它允许使用标准参考设计来满足各种应用需求，同时还能满足特定应用需求并添加高级功能。基于微控制器的电源设计不仅支持基本的功率转换，而且在关键组件的选择上也提供了灵活性；它能够适应变化并优化不同的工作状态。此外，诸如通信和诊断等高级功能，对于专用的独立电源转换器而言难以实现，而基于微控制器的设计则可以轻松实现这些功能。.
在此方案中，主要问题与负载相关：负载的性质是什么？如何控制负载？需要电压还是电流？电流或电压设定点的精度要求是多少？负载控制可以像继电器一样简单，也可以像三相逆变器一样复杂，但两者都需要充电功能，利用太阳能为储能设备充电，并且如果可能，最好还能提供最大功率点跟踪（MPPT）。.
或许首要的决策之一是采用共轨或分布式电源轨架构。图 5 展示了这两种架构的区别，但负载特性才是影响这一设计决策的主要因素。如果负载需要恒定电压，图 5a 所示的电源轨将是最佳选择。在这种情况下，充电控制器可以简化为一个简单的继电器或固态开关。太阳能 DC/DC 转换器将共轨电压维持在设定值，并通过总线为电池充电器供电，从而为储能设备充电。该方案的优缺点在于功率转换步骤：假设功率转换的平均效率为 85%，则仍存在 15% 的转换损耗。如果太阳能 DC/DC 转换器能够处理负载，则只需一次转换。然而，电池充电需要两次转换才能满足负载需求：第一次是从太阳能 DC/DC 转换器到共轨，第二次是从共轨到双向 DC/DC 转换器，第三次是从双向 CC/CC 转换器到共轨。.
如果仅在夜间（太阳能DC/DC转换器不工作时）需要充电，则也可以使用共轨供电。在这种情况下，可以省去太阳能DC/DC转换器，利用储能设备的双向DC/DC转换器，通过太阳能电池板为电池充电；或者可以使用其他电源为负载供电。在这种情况下，能量需求仅涉及两个转换步骤：从太阳能DC/DC到双向DC/DC，再从双向DC/DC到负载。
如图6所示，分布式架构更加灵活，可以满足不同的充电需求。例如，太阳能DC/DC转换器可用于为负载提供储能，而DC/DC转换器则可以根据负载的需求进行调整。这种方案的缺点是始终存在两个转换步骤，但如果太阳能电池板和负载预计同时运行，这仍然是最佳解决方案。
电路设计方案
本文对电源架构的概述可应用于建筑工地危险信号灯的简单低功耗示例。从宏观角度来看，信号灯仅在夜间工作，其余时间电池会为其充满电。这种特性允许使用通用总线架构，并且由于危险信号灯仅进行充电或闪烁操作，因此可以通过将太阳能直流/直流转换器、双向直流/直流转换器和负载控制集成到单个双向转换器中来简化拓扑结构。图 6 显示了所提出的电路设计。
该电路设计采用Microchip PIC16F690微控制器和两个MCP1630模拟PWM控制器来控制双向反激式转换器。白天，太阳能用于为电池充电；当太阳能电池板发出“低电量或无电量”警告时，转换器开始向LED供电，并按照预设的闪烁模式工作。表1总结了该设计的基本假设和计算。.
结论：
太阳能装置成本的降低将使更多离网应用能够利用太阳能。这些新型太阳能系统的成功与否取决于其优缺点、规模和成本之间的平衡，以及针对每种终端应用选择合适的拓扑结构。
以微控制器为基础的能量转换方案具有很高的灵活性。它不仅支持基于标准参考设计的各种终端应用，而且还能确保该设计在下一代光伏太阳能技术发展过程中保持未来的可行性。.
作者：
作者：Stephen Stella，Microchip Technology Inc.模拟和接口产品部产品线营销总监.
