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太陽光電在能量收集上的應用與解決方案
2025-10-03
太陽光電（Photovoltaic, PV）系統是一種將太陽光能直接轉換為電能的可再生能源技術。其主要的系統架構大致可分為太陽能電池模組（PV模組）、變頻器、電力控制裝置（電源管理系統）、儲能系統（視需求而定）、輸配電設備（併網系統），這個架構通常是應用於較大型的電網發電應用，或是家庭、工廠的太陽光電轉換系統。
當我們在談論太陽光電在能量收集（Energy Harvesting）上的應用時，重點則將放在小型、低功率消耗裝置從太陽光中自主取得電力，以實現無需更換電池或延長使用壽命的目標。這在物聯網（IoT）、可穿戴式裝置與遠端監控等領域特別重要。
針對太陽光電能量收集應用，可涵蓋像是太陽能電池、儲能元件、主處理器、開關／輸出裝置（負載）等功能模組。其中的太陽能電池（PV模組）負責將太陽光轉換為直流電（DC）能量，做為整個系統的能源來源，種類包括單晶矽、多晶矽、薄膜太陽能模組等。
此外，還有像是TI BQ25570 之類的電源管理IC（PMIC），負責最大功率點追蹤（MPPT）、能量轉換、穩壓與儲能管理，確保即便光照微弱也能有效收集能量並供電。儲能元件則用於收集與暫存來自太陽能電池的能量，常見有鋰電池、LiFePO₄電池、超級電容（Supercapacitors），可提供穩定電源給負載與主控制器。
主處理器（MCU/MPU）用於控制系統邏輯運作，如資料採集、運算處理、通訊管理等，常見的有超低功率消耗的MCU（例如內建Arm Cortex-M0+核心），以延長續航時間。另一方面，開關／輸出裝置（負載）則負責實際執行任務，如用於感測環境參數（溫度、濕度）、啟動無線傳輸（BLE/Wi-Fi），或控制其他裝置等功能。
本文將為您介紹太陽光電在能量收集上的應用與相關解決方案，分析相關應用的發展與產品選擇注意事項，希望對您在設計相關能量收集系統上有所幫助。
太陽光電在能量收集應用的系統架構與所面臨的挑戰
太陽光電在能量收集應用上，通常會採用太陽光電模組，它可以將環境中的自然光或室內光轉換為電能，供應給微控制器（MCU）、感測器或通訊模組，常與超低功率消耗設計搭配使用，實現長期自給自足的系統。
太陽光電在能量收集的典型應用場景相當多樣，像是無線感測節點（Wireless Sensor Node）可用於溫溼度感測器、環境監控、工業監測，其在安裝後可免電池更換，適合難以接電的場所。在智慧物流與資產追蹤應用中，像是太陽能供電GPS追蹤器、貨櫃感測器，可搭配低功率消耗LoRa或NB-IoT通訊，於白天充電、夜間運作。
在智慧建築應用中，透過窗戶上的太陽能薄膜，可供電給室內感測器（如CO₂、光照、移動），其在建築內部安裝簡便，無需更換電池或拉線。在常見的可穿戴式裝置中，像是太陽能手錶、戶外運動裝備，可使這些裝置在戶外活動時不需要頻繁充電，延長使用時間。在智慧交通系統中，則可應用於太陽能交通號誌、道路感測裝置，其具有安裝簡易、低維護，適合偏遠或無電源地區的優點。
不過，目前太陽能能量收集技術仍需面臨許多挑戰，像是環境光不穩定導致的光照變動問題，需要透過高效率能量管理IC、超級電容儲能來解決，在遇見電壓／電流不穩定的負載穩定需求時，則可利用最大功率點追蹤（MPPT）技術或類似光強追蹤設計來強化。若遇到裝置的啟動閾值較高，啟動時電壓不足的狀況時，則可使用啟動閾值低的MCU與感測器來進行系統設計。
未來太陽光電在能量收集的發展趨勢將朝向微型化太陽能模組發展，採用可彎曲、透明的設計，搭配採用超低功率消耗的MCU，搭配邊緣AI概念，實現本地智慧分析與自我供電，並隨著室內光能量收集技術的進步，將可用於電子標籤（e-label）、智慧標籤等低照度環境中。
常見的太陽能量收集解決方案
太陽能量收集技術已廣泛應用於多種小型電子裝置，特別是在物聯網（IoT）裝置和可穿戴式裝置。以下是市面上常見的太陽能量收集解決方案：
1. PowerFilm Solar的柔性太陽能電池
PowerFilm Solar 採用專有的薄膜技術，提供輕巧且可彎曲的太陽能電池，適用於各種形狀的裝置，可根據客戶需求訂製，適用於IoT、運輸、軍事和消費性電子產品等領域。PowerFilm Solar可應用於無線感測器節點、GPS追蹤器、可攜式電子裝置。
2. DFRobot的DFM8001環境能量收集模組
DFRobot的 DFM8001 環境能量收集模組採用微型化設計，能夠從機械、熱能、太陽能和射頻等多種來源收集能量，適用於室內環境，無需電池即可為低功率消耗IoT裝置供電。DFRobot的DFM8001環境能量收集模組可應用於無線感測器、智慧家庭裝置、可穿戴式裝置等。
3. 鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦（Perovskite）太陽能電池可提供高效率、柔性且輕量化的能源解決方案，適用於可穿戴式電子感測器，可整合至電子紡織品，提供便利且多功能的應用。鈣鈦礦太陽能電池可應用於可穿戴健康監測裝置、智慧服飾等。
在太陽能能量收集應用中，電源管理晶片（PMIC）扮演著關鍵角色，負責將太陽能轉換並儲存為可用電能。以下是市面上幾款常見的太陽能能量收集PMIC解決方案：
1. Nexperia NEH7100BU/ NEH7110BU/ NEH2000BY
Nexperia的電源管理晶片相當多款，包括NEH7100BU、NEH7110BU、NEH2000BY 等。Nexperia的電源管理晶片可支持無電感設計，可簡化電路佈局，降低物料清單（BOM）成本，支持高效能MPPT，內建爬山演算法，支持多種時間調整，確保在快速變化的光照條件下仍能維持高效能，並支持電池保護功能，可提供過電壓保護（OVP）、低電壓檢測（LVD）和過電流保護（OCP），並可支持USB充電與低壓降穩壓器（LDO），支援高達200 mA的USB充電，並內建可配置的LDO。Nexperia的電源管理晶片可應用於智慧遙控器、無線PC裝置、工業感測器、輪胎壓力感測器、可穿戴式裝置等。
2. TI BQ25570
TI BQ25570是一款專為極低功率能量收集應用所設計的高整合度電源管理晶片，適用於太陽光電與其他微能量來源。它具備MPPT、冷啟動（Cold Start）、雙輸出管理、整合式降壓轉換器、能量儲存管理功能。TI BQ25570常應用於無線感測節點（WSN）、可穿戴式裝置、環境監測站、電子紙顯示標籤（ESL）等。
3. ADI ADP5091/ ADP5092
Analog Devices（ADI）提供多款專為太陽光電等能量收集應用設計的電源管理晶片（PMIC），特別適合低功率消耗、無線感測器、可穿戴式裝置與物聯網（IoT）等場景。ADP5091/ ADP5092 是智慧型超低功率消耗的能量收集PMIC，可支援太陽能電池（PV）、熱電發電器（TEG）等，其冷啟動時的電壓最低為380 mV，運作電壓範圍為80 mV至3.3 V，可處理6 μW至600 mW的能量輸入，內建最大功率點追蹤功能，可提升能量轉換效率，可支援鋰電池、薄膜電池、超級電容等儲能元件的充電管理，並提供穩壓輸出，供應給主處理器與其他負載裝置。
儲能元件與負載裝置在太陽能能量收集中的應用
在太陽能能量收集應用中，選擇適當的儲能元件對於系統的性能和可靠性至關重要。市面上常見的儲能元件解決方案包括超級電容，超級電容具有高功率密度，能夠快速充放電，適合需要頻繁能量輸出的應用。此外，還有可充電電池，類型包括鋰離子電池（Li-ion），具有高能量密度，適合長時間供電需求，但需注意過充與過放保護。另一方面，也有混合儲能系統，結合了超級電容與可充電電池，利用超級電容的快速充放電特性，搭配電池的高能量密度，實現性能最佳化，並可提升系統效率與壽命，減少電池的充放電壓力，延長整體系統壽命。
在太陽能能量收集系統中，負載裝置是指利用所收集能量運作的終端裝置。市面上常見的負載裝置解決方案包括無線感測器節點，常用於工業監控，用以監測裝置的運行狀態、溫度、壓力等參數。可穿戴式裝置則常應用於健康監測，像是智慧型手環、智慧型手錶，可監測心率、步數等健康數據，或是用於運動追蹤，可記錄運動數據，提供訓練建議。
此外，還有電子紙顯示裝置，常應用於電子貨架標籤（ESL），於零售業中用於顯示商品價格、促銷資訊，以及電子閱讀器，如電子書，提供類似紙質的閱讀體驗。智慧家庭裝置則常應用於智慧遙控器，用以控制家電設備，如電視、空調等，也可用於無線開關，用以控制燈光、窗簾等家庭裝置。
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結語
綜觀太陽光電在能量收集上的應用與解決方案，不難發現它已成為實現低功率消耗、自供電系統的重要基礎。透過高效率的太陽能模組、智慧化的電源管理IC（PMIC）、多樣化的儲能元件，以及廣泛應用於感測器、可穿戴式裝置與物聯網節點的負載裝置，太陽光電方案正以前所未有的方式深入我們的生活與產業場域。隨著技術的持續創新與元件的小型化、智慧化，未來的能量收集系統將更加高效率、穩定且環保，為邁向永續發展的未來提供堅實的基礎。
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