【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 南寧市Φ＋成都市Φ＋貴陽(yáng)市Φ＋②太陽(yáng)能電池方陣日發(fā)電量QP其中，IOC是太陽(yáng)能電池方陣最佳工作電流；KOP代表斜面修正系數(shù)（參考表31）；CZ是修正系數(shù)，[13].③最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)本設(shè)計(jì)的特殊之處就在于此，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)將此段時(shí)間內(nèi)損耗的蓄電池量補(bǔ)充考慮進(jìn)來(lái)，蓄電池容量補(bǔ)充計(jì)算方法如下太陽(yáng)能電池組件并在一起的選擇可按下式計(jì)算：根據(jù)太陽(yáng)能電池方陣的串并聯(lián)數(shù)，便能夠計(jì)算出所選取的組件的功率[13] 其中，P0代表光伏電池方陣的額定功率。以天津?yàn)槔?，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池功率計(jì)算過(guò)程如下：串聯(lián)數(shù) 并聯(lián)數(shù) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果該地區(qū)太陽(yáng)能電池方陣功率為570W。蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，光伏電池將轉(zhuǎn)換成的電能先通過(guò)化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在其中，當(dāng)帶負(fù)載為其供電時(shí)，它會(huì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能為負(fù)載供電。蓄電池的最大優(yōu)勢(shì)是能夠重復(fù)利用，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，不僅如此，蓄電池還具有輸出電壓穩(wěn)定、可靠性很高、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)部門、場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。蓄電池的特征直接影響太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作效率、可靠性和成本。只有裝備蓄電池的太陽(yáng)能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)才能正常工作，主要原因?yàn)椋海?）太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的電能無(wú)法直接滿足夜晚的照明要求，而且還要應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天等特殊條件下的照明需要。因此，必須將太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的電能儲(chǔ)存起來(lái)才能在夜晚為負(fù)載供電。（2）由于太陽(yáng)能電池組件輸出功率是隨機(jī)的，為了給燈具等負(fù)荷正常供電，必須配備蓄電池。和太陽(yáng)能電池方陣組合的蓄電池一般工作在浮充下，蓄電池的端電壓隨著光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率以及負(fù)載用電量的變化而變化。因此要求蓄電池儲(chǔ)存的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用電負(fù)載所需的電能。不同環(huán)境下的蓄電池提供的電能各不相同。為了匹配太陽(yáng)電池，一般對(duì)蓄電池有特殊要求，如其工作壽命長(zhǎng)、維護(hù)要簡(jiǎn)單等等。此外，太陽(yáng)能蓄電池應(yīng)該適用于不同的環(huán)境要求，如高溫，高海拔，低溫等不同環(huán)境下都能正常使用?？梢耘c光伏電池組件匹配使用的蓄電池有很多種類，但現(xiàn)在尤其以有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池、和堿性鎳蓄電池三種應(yīng)用最為廣泛。由于鉛酸免維護(hù)蓄電池可以不用維護(hù)并且基本上不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的特點(diǎn)，越來(lái)越多的性能可靠的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，尤其是無(wú)人管理的工作站采用它。也正因?yàn)槿绱?，目前其在?guó)內(nèi)得到廣泛使用。然而由于普通鉛酸蓄電池需要很好的管理，而且容易對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此，其在要求維護(hù)能力低和一般環(huán)境下才會(huì)得到使用。雖然堿性鎳蓄電池具有良好的低溫、過(guò)沖、過(guò)放特性，但因?yàn)槠溥^(guò)高的價(jià)格，僅在一些特殊環(huán)境下使用。綜合以上各蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，本設(shè)計(jì)選用鉛酸免維護(hù)蓄電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件。是否能連續(xù)供電，蓄電池的儲(chǔ)能作用極為關(guān)鍵。在不同的時(shí)間內(nèi)，光伏方陣發(fā)電量有很大差別，方陣的發(fā)電量不能滿足用電需要的時(shí)候，蓄電池釋放電能以便及時(shí)補(bǔ)足；在用電量的時(shí)候不足時(shí)，需用蓄電池把多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)以備使用，所以要確定蓄電池容量需要參考方陣的發(fā)電量不足和過(guò)剩值。同樣，特殊環(huán)境下（如連續(xù)的陰雨天間的負(fù)載用電量）也需要用蓄電池供電。因此，確定蓄電池容量時(shí)還要考慮到此時(shí)的蓄電池耗電量。故可以確定蓄電池的計(jì)算容量為 式中：K代表安全系數(shù)，~；QL表示負(fù)載每天的平均耗電量，也就是工作電流與每天工作小時(shí)數(shù)的乘積；NL代表最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；To表示溫度修正系數(shù)，，Cc代表蓄電池的放電深度，101，101.本設(shè)計(jì)中蓄電池確定計(jì)算過(guò)程如下： 根據(jù)計(jì)算結(jié)果該地區(qū)蓄電池容量為1200Ah。一般的，燈具的實(shí)際效率可以用光源光效（lm/W）與電源效率（%）與、光照效率（%）、燈具效率（%）的乘積表示。下表為L(zhǎng)ED光源與普通日光燈的比較表33 LED光源與普通日光燈的比較光源類型光源光效（lm/W）電源效率（%）光照效率（%）燈具效率（%）實(shí)際效率普通日光燈%%%LED燈具%%% 可見(jiàn)，LED燈具的實(shí)際效率是普通日光燈3倍以上。因此，用15W的LED燈具完全可以代替現(xiàn)有的36W的T8電感式鎮(zhèn)流器的普通日光燈管。故本設(shè)計(jì)采用15W的LED燈具作為照明燈具。 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖41 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖由于單片機(jī)AT89S5AD轉(zhuǎn)換器ADC0809需要+5電壓供電，本設(shè)計(jì)電源電路采用LM7805集成穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓器件，220V電源整流濾波后送入LM7805穩(wěn)壓，便可以獲得5V電壓，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖42 電源電路單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路以及外圍電路構(gòu)成。時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)為一種時(shí)序電路，只有在配置時(shí)鐘信號(hào)后，方可以正常起到控制作用。單片機(jī)的18腳（X2）、19腳（X1）分別代表單片機(jī)內(nèi)反向放大器兩個(gè)端口即輸出端和輸入端，如果要組成單片機(jī)所需的時(shí)鐘電路，必須在單片機(jī)18腳（X2）和19腳（X1）之間連接一個(gè)特定值的晶振，然后附帶2個(gè)30PF的瓷片電容。尤其要注意的是，使用外部時(shí)鐘時(shí)，19腳（X1）與大地相連，18腳（XTAL2）引到外部時(shí)鐘信號(hào)上。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：在單片機(jī)啟動(dòng)或者正在工作時(shí)會(huì)由于干擾而使程序控制失控，或工作中程序在某個(gè)死循環(huán)時(shí)均要采取復(fù)位。51系列的單片機(jī)若需要復(fù)位，必須由外部電路完成，單片機(jī)的9管腳Reset為復(fù)位信號(hào)輸入端，信號(hào)從Reset引腳輸入，高電平有效，只要保持Reset引腳處于高電平的時(shí)間是2個(gè)機(jī)器周期，其就可以正常復(fù)位。圖43 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路 DCDC控制電路設(shè)計(jì)(充電電路)本設(shè)計(jì)DCDC變換器選用開(kāi)關(guān)電源中的BUCK電路，它主要完成兩方面的功能，一方面要實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，一方面又要實(shí)現(xiàn)充電控制。電路設(shè)計(jì)主要是功率開(kāi)關(guān)管u和輸出濾波電感L的選擇。BUCK電路如圖44所示。圖44 BUCK電路①功率開(kāi)關(guān)管的選擇目前，對(duì)于功率不是很大的DCDC變換器在選擇開(kāi)關(guān)管時(shí)，通常首選的是MOSFET管與IGBT模塊；而大功率變換器在選擇開(kāi)關(guān)管時(shí)，考慮到MOSFET的功率、電壓等級(jí)等方面的不足的情況下，通常采用IGBT模塊；但是對(duì)于功率不是很大的DCDC變換器，首選的還是MOSFET。故本系統(tǒng)選用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件。器件是否能夠安全可靠的起到作用，選擇MOSFET的電壓、電流額定值是至關(guān)重要的。一般的時(shí)候，在選取MOSFET的額定值時(shí)，都會(huì)比實(shí)際值稍大一些，以便保證系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)的輸入電壓在5690V之間，90=182V以上的MOSFET。通常情況下，BUCK變換器的效率根據(jù)取值為η=80%，則計(jì)算流過(guò)電感的電流若此時(shí)電感上的紋波電流設(shè)定在則功率開(kāi)關(guān)管所要承受的電流峰值計(jì)算如下因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用IRF840：額定電壓500V，額定電流8A，.②輸出濾波電路的設(shè)計(jì)在BUCK轉(zhuǎn)換電路中，如何選擇好一個(gè)電感元件是很重要的，若是取值過(guò)大，平波效果較好，輸出電流紋波小，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，同時(shí)增大電感體積，增加成本；若是取值過(guò)小，雖然系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但是流過(guò)電感的電流不連續(xù)，輸出電流的紋波很大。所以，必須選擇一個(gè)合適的電感。由圖不難看出，通過(guò)電感的電流等于直流電流IL0與鋸齒波電流△IL之和?！??？紤]到BUCK轉(zhuǎn)換器的特征，若電感恰好在臨界工作，則需滿足如下關(guān)系圖45 電感電流波形臨界電感就是此時(shí)電路的電感值，其值為式中，LC為臨界電感量；UO為輸出電壓；fs為開(kāi)關(guān)工作頻率；P0為變換器輸出功率；D為開(kāi)關(guān)管占空比。由于本系統(tǒng)的功率是300W，為小功率范疇，經(jīng)過(guò)BUCK電路后輸出的功率變?yōu)檎伎毡葹橛谑强傻门R界電感值若要滿足連續(xù)工作的要求，條件為所以應(yīng)該讓該狀態(tài)下的電感值高于臨界狀態(tài)下的值，即。若還要同時(shí)滿足能正常在連續(xù)狀態(tài)下工作，一般取，于是便可選取電感值為.就是我們常說(shuō)的MOSFET是NMOS和PMOS。該系統(tǒng)使用了N溝道的MOS管。該器件需要驅(qū)動(dòng)電路才能正常作用，本設(shè)計(jì)采用HCNW3120芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。由單片機(jī)控制PWM的輸出情況，通過(guò)該電路的放大功能，使NMOS正常工作。圖46 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路由于太陽(yáng)能電池只能在白天進(jìn)行發(fā)電，無(wú)法滿足在夜間為負(fù)載（LED燈具）供電，或是不能夠在一些惡劣環(huán)境條件下作為供電源頭。為了確保供電的連續(xù)性，因此就需要設(shè)計(jì)備用電路，通過(guò)單片機(jī)的控制，控制切換電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)供電電源的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖47圖47 切換電路由于AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量最大設(shè)定范圍為5 V，因此要把蓄電池電壓成比例的縮小在5V內(nèi)，才能利用AD轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再接入單片機(jī)，該系統(tǒng)電壓采樣電路由50K、10K的精密電阻構(gòu)成，電路圖如圖48所示。圖48 采樣電路 A/D轉(zhuǎn)換電路AT89S51單片機(jī)不能直接接收模擬信號(hào)，內(nèi)部也沒(méi)有AD轉(zhuǎn)換模塊，因此，采集獲取的電壓需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換方可送入單片機(jī)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了8位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。將采樣得到的信號(hào)從26管腳IN0(管腳A、B、C均置為低電平)輸入，從而單片機(jī)可以判斷電壓的具體情況。ADC0809應(yīng)用說(shuō)明（1）ADC0809內(nèi)部?jī)?nèi)置輸出鎖存器，能和AT89S51單片機(jī)直接連接。（2）初始化時(shí)，將ST和OE端口信號(hào)設(shè)置為低電平。（3）A，B，C端口的設(shè)置情況決定轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址。（4）在ST 端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。（5）轉(zhuǎn)換完畢與否取決于EOC的信號(hào)情況。（6）當(dāng)EOC轉(zhuǎn)換成高電平時(shí)，這時(shí)將OE設(shè)置成相同電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就會(huì)給單片機(jī)。AD轉(zhuǎn)換電路由AD 轉(zhuǎn)換器AD0809，頻率發(fā)生器SUN7474構(gòu)成。AD0809 的工作頻率范圍為10KHZ1280KHZ，AT89S51的輸出頻率大小為2MHZ，無(wú)法滿足為AD0809 的提供工作時(shí)鐘的要求。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了由AT89S1和SUN7474連接為AD0809 提供工作時(shí)鐘。在頻率為500KHZ 的時(shí)候。圖49 頻率發(fā)生器SUN7474電路AD0809采用脈沖啟動(dòng)方式啟動(dòng)，啟動(dòng)端口START開(kāi)啟后轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換才開(kāi)始。這就需要查詢程序等EOC變?yōu)榈碗娖胶笤匍_(kāi)始查詢，轉(zhuǎn)換成功后，EOC 輸出高電平，等到OE為高電平便將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。程序設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)改變EOC信號(hào)來(lái)決定單片機(jī)是否讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，抑或是在開(kāi)啟AD0809 后，設(shè)定適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，單片機(jī)方可讀入被AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。圖410 ADC0809轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)的IO口輸出電流很小4到20mA，所以要用三極管放大來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。二極管的作用是防止三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致三極管eb擊穿。圖411 繼電器驅(qū)動(dòng)電路