太阳能 Meshtastic 节点：自带太阳能接口 vs MPPT？太阳能板规格如何选？

本文以搭载 nRF52 芯片 MCU 的 Heltec T114 作为案例，探讨如何构建高效的太阳能供电 Meshtastic 节点。需要特别说明的是，其他使用 nRF52 芯片的 Meshtastic 硬件功耗相差无几，因此文中分享的结论和计算方法同样具有很高的参考价值。这篇文章并不局限于 Heltec T114，适用于所有类似硬件。

当我们选择用 Heltec T114 构建太阳能供电节点时，经常面临两个问题：

1. 直接使用 T114 自带的太阳能输入接口，还是额外使用 MPPT 控制器？
2. 应该选择多大功率的太阳能板？电流、电压应该选择多少？

经过实验得出，T114 自带太阳能输入接口和 MPPT 控制器相比，两者在效率和适用性上差异显著。

更重要的是，为两种方法选择合适规格的太阳能板，需要进行科学的计算，包括考虑设备需求和冗余系数。

效率：T114 默认太阳能输入接口 vs MPPT 控制器

在构建太阳能供电系统时，如何最大化利用太阳能板的输出功率是一个关键问题。Heltec T114 提供了一个默认的太阳能输入接口，支持直接连接太阳能板。然而，这种方式由于缺乏动态优化机制，在效率和性能上有明显的局限性。相比之下，外置的 MPPT 控制器能够通过最大功率点追踪技术（MPPT，Maximum Power Point Tracking），显著提升能量转化效率，充分发挥太阳能板的性能。

为了便于理解，我们将在下文详细对比 T114 默认接口和 MPPT 控制器的效率表现，并通过数据和公式逐步展示这些结论的计算依据。

默认太阳能输入接口

Heltec T114 的默认太阳能输入接口并非高效能量转换电路，而是简单的充电电路：

• 固定电压要求：至少 4.2V 才能开始充电，推荐电压范围为 5V-6V。
• 输入功率限制：无法动态优化太阳能板的输出，因此利用率低。

实际测试 中：

• 使用 1W、6V 的太阳能板时，充电电流仅为 31mA。
• 充电功率计算如下：
  $$
  P_{\text{充电}} = V_{\text{电池}} \times I_{\text{充电}} = 4.2 \text{V} \times 0.031 \text{A} = 0.13 \text{W}
  $$
• 太阳能板输出功率为 1W，则效率为：
  $$
  \text{效率} = \frac{P_{\text{充电}}}{P_{\text{太阳能板}}} \times 100 = \frac{0.13}{1} \times 100 = 13 %
  $$

把 T114 接上外置 MPPT

MPPT 控制器通过动态调节输入电压和电流，实现最大功率点追踪 MPPT（Maximum Power Point Tracking），高效提取太阳能板的输出功率：

• 宽电压适应范围：通常支持 3V-18V，甚至更高。我建议选择 6V 规格的 MPPT 控制器。
• 动态优化：能自动调整电压与电流关系，使太阳能板始终工作在最佳功率输出点。

实际测试中：

• 使用相同的 1W、6V 太阳能板时，充电电流可以达到 100-200mA。
• 取中间值 150mA 计算充电功率：
  $$
  P_{\text{充电}} = V_{\text{电池}} \times I_{\text{充电}} = 4.2 \text{V} \times 0.15 \text{A} = 0.63 \text{W}
  $$
• 太阳能板输出功率为 1W，则效率为：
  $$
  \text{效率} = \frac{P_{\text{充电}}}{P_{\text{太阳能板}}} \times 100
  = \frac{0.63}{1} \times 100
  = 63%
  $$

关于 MPPT 接线，你可以参考下以下接线图（可以忽略右边紫色的传感器）。

接线图来自 heyitsyang 的 GitHub 项目 W9ETC-Meshtastic-Solar-Node。

效率对比总结

二、如何计算太阳能板规格

先说结论：

以下讲解这个结论如何得出。为 T114 配备合适的太阳能板，需要考虑以下因素：

1. 设备每日能量需求：包括 T114 自身的功耗和负载功耗。
2. 日照时间：当地每日有效日照时间。
3. 冗余系数：考虑阴雨天气或光照不足时的能量储备。

计算 T114 的每日能量需求及太阳能板规格

为确保 Heltec T114 在太阳能供电下能够稳定运行，首先需要明确设备的每日能耗，然后结合供电方式和效率，计算出太阳能板的额定功率和规格。

在一些环境条件较为严苛，或者需要系统具备更高冗余度的情况下，可以通过以下方法调整参数，使系统即便在阴雨天气持续时间超出预期或雨季更加频繁的情况下，依然能够正常运行：

• 调整待机电流假设值为更高范围。目前假设值为 9 毫安（mA），但 nRF52 系列的平均待机电流通常在 9 mA 到 15 mA 之间。
• 将每日平均有效日照时间的假设值调低（例如，从 4 小时减少到更保守的值）。
• 增大冗余系数 $K_{\text{冗余}}$ 的取值。例如，目前取值为 $1.5$，可以根据需求适当增加。
• 假设更低的系统效率。根据初步实验，自带的太阳能接口的充电效率约为 $13%$，而 MPPT 充电器（通常使用 CN 系列的 IC）的效率约为 $63%$。

通过这些保守的假设和调整，可以有效提高太阳能节点的可靠性，确保系统在极端条件下仍能稳定运行。

1. T114 的每日能量需求计算

T114 的功耗非常低。以其平均待机电流约 $ 9 \text{mA} $ 为例，假设其运行所需电池电压为 $ 3.7 \text{V} $（T114 典型值），则其每日能量需求可通过以下公式计算：
$$
E_{\text{需求}} = V_{\text{电池}} \times I_{\text{待机}} \times T_{\text{每日工作时间}}
$$
若设备全天候运行（24小时），代入相关参数：
$$
E_{\text{需求}} = 3.7 \text{V} \times 0.009 \text{A} \times 24 \text{h} = 0.8 \text{Wh}
$$
因此，T114 每日需要约 $ 0.8 \text{Wh} $ 的电能。

2. 太阳能板输出功率需求计算

要满足 T114 的每日能量需求，太阳能板的输出功率需要与当地的日照条件相匹配。假设当地每日平均有效日照时间为 $ 4 \text{小时} $，太阳能板的输出功率可以通过以下公式计算：
$$
P_{\text{太阳能板}} = \frac{E_{\text{需求}} \times K_{\text{冗余}}}{T_{\text{日照}}}
$$
其中：

• $ K_{\text{冗余}} $：冗余系数，用于预防阴雨天气或光照不足，建议取值 1.5-2。
• $ E_{\text{需求}} = 0.8 \text{Wh} $。
• $ T_{\text{日照}} = 4 \text{小时} $。

假设冗余系数 $ K_{\text{冗余}} = 1.5 $，代入公式得：
$$
P_{\text{太阳能板}} = \frac{0.8 \times 1.5}{4} = 0.3 \text{W}
$$
因此，为满足 T114 的每日能量需求，最低需要功率为 $ 0.3 \text{W} $ 的太阳能板。

3. 结合不同输入方式调整太阳能板规格

不同的输入方式（T114 默认接口或 MPPT 控制器）会影响太阳能板的效率，因此需要分别计算所需太阳能板的功率。

1. 使用 T114 默认接口
   Heltec T114 默认的太阳能输入接口效率较低，仅约 $ 13% $。为了弥补效率损失，太阳能板需要提供更高的功率，其计算公式为：
   $$
   P_{\text{太阳能板，默认接口}} = \frac{P_{\text{需求}}}{\text{效率}}
   $$
   代入效率 $ 13% $ 和需求功率 $ 0.3 \text{W} $：
   $$
   P_{\text{太阳能板，默认接口}} = \frac{0.3}{0.13} \approx 2.3 \text{W}
   $$
   推荐规格：选择额定功率为 $ 3 \text{W} $、电压为 $ 6 \text{V} $ 的太阳能板，以确保有足够冗余。

2. 使用 MPPT 控制器
   MPPT 控制器效率较高，通常可达 $ 63% $。相比 T114 默认接口，所需太阳能板功率较低。计算公式为：
   $$
   P_{\text{太阳能板，MPPT}} = \frac{P_{\text{需求}}}{\text{效率}}
   $$
   代入效率 $ 63% $ 和需求功率 $ 0.3 \text{W} $：
   $$
   P_{\text{太阳能板，MPPT}} = \frac{0.3}{0.63} \approx 0.48 \text{W}
   $$
   推荐规格：选择额定功率为 $ 1 \text{W} $、电压为 $ 6 \text{V} $ 的太阳能板即可满足需求。

4. 太阳能规格对比总结

通过以上计算，可以根据实际使用场景选择合适的太阳能板和输入方式。

如果预算和效率要求较高，建议优先选择 MPPT 控制器；若追求简单安装和低成本，T114 的默认接口也能满足基本需求。

三、注意事项 ⚠

在使用 Heltec T114 进行太阳能供电时，需要注意以下几个关键点，以确保系统的稳定性和效率。首先，在选择太阳能板时，建议考虑增加功率冗余系数，通常取 1.5 至 2 倍的需求功率。在阴雨天或冬季，光照条件通常会较差，实际输出功率可能远低于额定值。冗余设计可以有效应对这种情况，确保设备在低光照条件下仍能正常运行。我设计自己的太阳能节点，使用了 3 倍的需求功率，冗余越多越安全。

其次，需要警惕商家的虚标问题。在市场上，一些太阳能板的标称功率和实际输出可能存在较大差距。因此，强烈建议在购买太阳能板后，使用万用表在太阳光充足的情况下测量其实时电流和功率。这一步骤可以帮助确认太阳能板的真实性能是否符合预期，从而避免使用低效率的产品影响整个系统的可靠性。

另外，为了保护电池，建议添加电池保护模块（BMS）。BMS 能够在电池过充或过放时自动断开电路，防止电池损坏。尤其是在长期户外使用的情况下，电池电压可能在夜晚或光照不足时过度下降，导致电池性能衰减甚至损坏。使用 BMS 可以有效延长电池的使用寿命。

最后，需要特别注意太阳能板的电压范围。Heltec T114 默认太阳能接口设计的电压范围为 5V 至 6V，过高的输入电压（如 12V）可能会损坏设备。尤其是在使用较大功率的太阳能板时，更应确保电压符合设备的规格要求。如果需要使用电压范围较宽的太阳能板，建议额外搭配 MPPT 控制器，以对电压和电流进行优化调整，既能保护设备，又能提高充电效率。

综上所述，通过合理的冗余设计、严谨的性能测试、电池保护模块的应用，以及合规的电压选择，可以确保 Heltec T114 的太阳能供电系统高效稳定地运行，无论是在晴天还是阴天都能满足设备的用电需求。