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光伏在能量收集上的应用与解决方案
2025-10-03
光伏（Photovoltaic, PV）系统是一种将太阳光能直接转换为电能的可再生能源技术。其主要的系统架构大致可分为光伏电池模块（PV模块）、逆变器、电力控制设备（电源管理系统）、储能系统（视需求而定）、输配电设备（并网系统），这个架构通常是应用于较大型的电网发电应用，或是家庭、工厂的光伏转换系统。
当我们在谈论光伏在能量收集（Energy Harvesting）上的应用时，重点则将放在小型、低功耗设备从太阳光中自主取得电力，以实现无需更换电池或延长使用寿命的目标。这在物联网（IoT）、可穿戴设备与远程监控等领域特别重要。
针对光伏能量收集应用，可涵盖像是光伏电池、储能元器件、主处理器、开关／输出设备（负载）等功能模块。其中的光伏电池（PV模块）负责将太阳光转换为直流电（DC）能量，做为整个系统的能源来源，种类包括单晶硅、多晶硅、薄膜光伏模块等。
此外，还有像是TI BQ25570之类的电源管理IC（PMIC），负责最大功率点跟踪（MPPT）、能量转换、稳压与储能管理，确保即便光照微弱也能有效收集能量并供电。储能元器件则用于收集与暂存来自光伏电池的能量，常见有锂电池、LiFePO₄电池、超级电容（Supercapacitors），可提供稳定电源给负载与主控制器。
主处理器（MCU/MPU）用于控制系统逻辑运作，如数据采集、计算处理、通信管理等，常见的有超低功耗的MCU（例如内建Arm Cortex-M0+内核），以延长续航时间。另一方面，开关／输出设备（负载）则负责实际执行任务，如用于传感环境参数（温度、湿度）、启动无线传输（BLE/Wi-Fi），或控制其他设备等功能。
本文将为您介绍光伏在能量收集上的应用与相关解决方案，分析相关应用的发展与产品选择注意事项，希望对您在设计相关能量收集系统上有所帮助。
光伏在能量收集应用的系统架构与所面临的挑战
光伏在能量收集应用上，通常会采用光伏模块，它可以将环境中的自然光或室内光转换为电能，供应给微控制器（MCU）、传感器或通信模块，常与超低功耗设计搭配使用，实现长期自给自足的系统。
光伏在能量收集的典型应用场景相当多样，像是无线传感节点（Wireless Sensor Node）可用于温湿度传感器、环境监控、工业监测，其在安装后可免电池更换，适合难以接电的场所。在智能物流与资产跟踪应用中，像是光伏供电GPS跟踪器、货柜传感器，可搭配低功耗LoRa或NB-IoT通信，于白天充电、夜间运作。
在智能建筑应用中，通过窗户上的光伏薄膜，可供电给室内传感器（如CO₂、光照、移动），其在建筑内部安装简便，无需更换电池或拉线。在常见的可穿戴设备中，像是光伏手表、户外运动装备，可使这些设备在户外活动时不需要频繁充电，延长使用时间。在智能交通系统中，则可应用于光伏交通号志、道路传感设备，其具有安装简易、低维护，适合偏远或无电源地区的优点。
不过，目前光伏能量收集技术仍需面临许多挑战，像是环境光不稳定导致的光照变动问题，需要通过高效能量管理IC、超级电容储能来解决，在遇见电压／电流不稳定的负载稳定需求时，则可利用最大功率点跟踪（MPPT）技术或类似光强跟踪设计来强化。若遇到设备的启动阈值较高，启动时电压不足的状况时，则可使用启动阈值低的MCU与传感器来进行系统设计。
未来光伏在能量收集的发展趋势将朝向微型化光伏模块发展，采用可弯曲、透明的设计，搭配采用超低功耗的MCU，搭配边缘AI概念，实现本地智能分析与自我供电，并随着室内光能量收集技术的进步，将可用于电子标签（e-label）、智能标记等低照度环境中。
常见的光伏能量收集解决方案
光伏能量收集技术已广泛应用于多种小型电子设备，特别是在物联网（IoT）设备和可穿戴设备。以下是市面上常见的光伏能量收集解决方案：
1. PowerFilm Solar的柔性光伏电池
PowerFilm Solar采用专有的薄膜技术，提供轻巧且可弯曲的光伏电池，适用于各种形状的设备，可根据客户需求定制，适用于IoT、运输、军事和消费电子产品等领域。PowerFilm Solar可应用于无线传感器节点、GPS跟踪器、可携式电子设备等。
2. DFRobot的DFM8001环境能量收集模块
DFRobot的 DFM8001 环境能量收集模块采用微型化设计，能够从机械、热能、光伏和射频等多种来源收集能量，适用于室内环境，无需电池即可为低功耗IoT设备供电。DFRobot的DFM8001环境能量收集模块可应用于无线传感器、智能家庭设备、可穿戴设备等。
3. 钙钛矿光伏电池
钙钛矿（Perovskite）光伏电池可提供高效、柔性且轻量化的能源解决方案，适用于可穿戴电子传感器，可集成至电子纺织品，提供便利且多功能的应用。钙钛矿光伏电池可应用于可穿戴健康监测设备、智能服饰等。
在光伏能量收集应用中，电源管理芯片（PMIC）扮演着关键角色，负责将光伏转换并存储为可用电能。以下是市面上几款常见的光伏能量收集PMIC解决方案：
1. Nexperia NEH7100BU/ NEH7110BU/ NEH2000BY
Nexperia的电源管理芯片相当多款，包括NEH7100BU、NEH7110BU、NEH2000BY 等。Nexperia的电源管理芯片可支持无电感设计，可简化电路布局，降低物料清单（BOM）成本，支持高效MPPT，内建爬山算法，支持多种时间调整，确保在快速变化的光照条件下仍能维持高效，并支持电池保护功能，可提供过压保护（OVP）、低压检测（LVD）和过流保护（OCP），并可支持USB充电与低压降稳压器（LDO），支持高达200 mA的USB充电，并内建可配置的LDO。Nexperia的电源管理芯片可应用于智能遥控器、无线PC设备、工业传感器、轮胎压力传感器、可穿戴设备等。
2. TI BQ25570
TI BQ25570是一款专为极低功率能量收集应用所设计的高集成度电源管理芯片，适用于光伏与其他微能量来源。它具备MPPT、冷启动（Cold Start）、双输出管理、集成式降压转换器、能量存储管理功能。TI BQ25570常应用于无线传感节点（WSN）、可穿戴设备、环境监测站、电子纸显示标签（ESL）等。
3. ADI ADP5091/ ADP5092
Analog Devices（ADI）提供多款专为光伏等能量收集应用设计的电源管理芯片（PMIC），特别适合低功耗、无线传感器、可穿戴设备与物联网（IoT）等场景。ADP5091/ ADP5092 是智能型超低功耗的能量收集PMIC，可支持光伏电池（PV模块）、热电发电器（TEG）等，其冷启动时的电压最低为380 mV，运作电压范围为80 mV至3.3 V，可处理6 μW至600 mW的能量输入，内建最大功率点跟踪功能，可提升能量转换效率，可支持锂电池、薄膜电池、超级电容等储能元器件的充电管理，并提供稳压输出，供应给主处理器与其他负载设备。
储能元器件与负载设备在光伏能量收集中的应用
在光伏能量收集应用中，选择适当的储能元器件对于系统的性能和可靠性至关重要。市面上常见的储能元器件解决方案包括超级电容，超级电容具有高功率密度，能够快速充放电，适合需要频繁能量输出的应用。此外，还有可充电电池，类型包括锂离子电池（Li-ion），具有高能量密度，适合长时间供电需求，但需注意过充与过放保护。另一方面，也有混合储能系统，结合了超级电容与可充电电池，利用超级电容的快速充放电特性，搭配电池的高能量密度，实现性能优化，并可提升系统效率与寿命，减少电池的充放电压力，延长整体系统寿命。
在光伏能量收集系统中，负载设备是指利用所收集能量运作的终端设备。市面上常见的负载设备解决方案包括无线传感器节点，常用于工业监控，用以监测设备的运行状态、温度、压力等参数。可穿戴设备则常应用于健康监测，像是智能手环、智能手表，可监测心率、步数等健康数据，或是用于运动跟踪，可记录运动数据，提供训练建议。
此外，还有电子纸显示设备，常应用于电子货架标签（ESL），于零售业中用于显示商品价格、促销信息，以及电子阅读器，如电子书，提供类似纸质的阅读体验。智能家庭设备则常应用于智能遥控器，用以控制家电设备，如电视、空调等，也可用于无线开关，用以控制灯光、窗帘等家庭设备。
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结语
综观光伏在能量收集上的应用与解决方案，不难发现它已成为实现低功耗、自供电系统的重要基础。通过高效率的光伏模块、智能化的电源管理IC（PMIC）、多样化的储能元器件，以及广泛应用于传感器、可穿戴设备与物联网节点的负载设备，光伏方案正以前所未有的方式深入我们的生活与产业场域。随着技术的持续创新与元器件的小型化、智能化，未来的能量收集系统将更加高效、稳定且环保，为迈向永续发展的未来提供坚实的基础。
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