【正文】 V/5A 太陽能控制器的電路，該電路采用低功耗的單片機(jī) P87LPC767作為控制回路的核心 ,實(shí)時測量蓄電池的端電壓 ,通過脈寬調(diào)制控制太陽能電池陣列的充電電壓 ,并通過功率管控制蓄電池與負(fù)載的通斷 ,實(shí)現(xiàn)對蓄電池的放電保護(hù)。太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持６１０１０年，相對于人類發(fā)展歷史的有限年代而言，可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。 太陽能發(fā)電是一種清潔型能源系統(tǒng)，且?guī)缀踹m用于任何地方 —— 大型建筑物、工廠、空地和住宅樓。特別是光伏 電源 系統(tǒng)解決了許多農(nóng)村學(xué)校、醫(yī)療所、家庭照明、 電視 等用電，對發(fā)展邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)揮了十分重要的作用。 中國人口眾多，相對資源匱乏，但中國的太陽能資源豐富。１平方公里面積可安裝１００兆瓦光伏陣列，每年可發(fā)電１．５億度，如果開發(fā)利用１％的荒漠，就可以發(fā)出相當(dāng)于我國2020年全年的耗電量。 10 然而 ，比發(fā)達(dá)國家對太陽能的利用，我們做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，差距主要在產(chǎn)業(yè)規(guī)模和政策支持上。目前，日本和德國是利用太陽能最多的兩個國家，兩國政府都在斥巨資購買或推廣現(xiàn)今最為清潔、 安全 的能源。格林教授說：“政府的力量是決定這一能源能否在該國普及的關(guān)鍵因素。能源問題位居世界十大焦點(diǎn)問題之首。光伏發(fā)電具有傳輸方便的特點(diǎn) ,在通用性、可存儲性等方面具有光熱利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換利用無法替代的優(yōu)勢。我國西部地區(qū)地廣人稀 ,大部分地區(qū)遠(yuǎn)離大電網(wǎng) ,用電人口也較為分散 ,能源問題成為制約這些地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵問題。采用太陽能戶用系統(tǒng)能很好地解決上述問題?，F(xiàn)在只要將屋頂上排 滿太陽能電池，就可以實(shí)現(xiàn)家中用電的自給。它從軍事領(lǐng)域、通信領(lǐng)域到城市建設(shè)領(lǐng)域等都起到了重大的作用。目前 ,太陽能的利用存在著巨大的發(fā)展空間， 12 有關(guān)的技術(shù)有可能在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破。 1 太陽能電池的基本原理 當(dāng)物體受到光照時 ,物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化會產(chǎn)生電動勢和電流 ,這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。 太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件 ,當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體 PN結(jié)時 ,會在 PN結(jié)兩邊產(chǎn)生電壓 ,使 PN結(jié)短路 ,就會產(chǎn)生電流。 2 太陽能電池的輸出特性 對于太陽能電池方陣而言 ,應(yīng)按照用戶的要求和負(fù)載的用電量及技術(shù)條件確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。蓄電池的容量決定其最大充電電流 ,該數(shù)值再結(jié)合負(fù)載電流 ,可決定太陽能電池并聯(lián)數(shù)。從圖中可以看出 ,太陽能電池的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。要想在太陽電池供電系統(tǒng)中得到最大功率 ,必須跟蹤日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件 ,不斷改變其負(fù)載阻抗的大小 ,從而達(dá)到陣列與負(fù)載的最佳匹配 ,以提高系統(tǒng)的效率 ,該方法稱為 MPPT(最 大功率點(diǎn)跟蹤法 )。 太陽能陣列輸出功率表達(dá)式為： P=U*I （ 1） 由太陽能輸出功率特性曲線可知，在 dp/dv=0 處，即為最大功 14 率點(diǎn)。但本文采用更為優(yōu)越的逐步逼近法，該方法的控制思想是：選擇較大的初始步長，搜索出最大功率所在的范圍，然后等比例的縮小范圍直到搜索到最大功率點(diǎn)。 首先，選擇較大的步長搜索最大功率點(diǎn)所在的區(qū)域，然后按比例搜小步長，再重復(fù)搜索，這樣搜索到的最大功率所在區(qū)域?qū)⒖s小一半，精度提高一倍，再如此循環(huán)下去，直到逼近 最大功率點(diǎn)。 理論和實(shí)踐證明 ,蓄電池充放電是一個復(fù)雜電化學(xué)過程。影響 電池快速充電的因素就是蓄電池充電過程中的各種極化現(xiàn)象。因此 ,由極化電阻產(chǎn)生極化電壓是影響充電效率的重要原因。充電接受電流是充電時間的指數(shù)函數(shù) ,因此脈沖充電可以持續(xù)以大電流充電 ,極大縮短充電時間 ,達(dá)到快速充電目的。鉛酸蓄電池充電電壓基本恒定 ,為保證其充電的可靠性并兼顧保證充電安全 ,需將太陽能電池板的輸出進(jìn)行合理的調(diào)整。 DCDC 轉(zhuǎn)換最大的特點(diǎn)就是升 P降壓保持以及穩(wěn)定電壓 ,采 DCDC 轉(zhuǎn)換模塊可以很好地解決太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)的問題 ,達(dá)到充電可靠、安全、穩(wěn)定的目的。 1) 電能系統(tǒng)分析 描述發(fā)電設(shè)備能力和電能利用關(guān)系可以用下式表示 : Eg = f ( e) (2) 其中 Eg 是負(fù)載情況下的輸出電能 , f ( e) 是在輸入能量條件下所能 18 轉(zhuǎn)換的能量。 對于一個發(fā)電設(shè)備來說 ,其最大輸出能量 fmax( e) 是一個固定的數(shù)值 ,而 f ( e) 則是由負(fù)載決定的能量。還有一種情況就是所需要的 Eg fmax ( e) ,這種情況下仍然有式 (1) 成立 ,但此時并不能完全滿足負(fù)載所需要的電能 ,因此 ,在這時負(fù)載系統(tǒng)所得到的電能小于實(shí)際需要 ,而發(fā)電設(shè)備輸出的電能等于 fmax ( e) 。對于充電電路 ,這部分消耗的能量是電池充電 中所經(jīng)過電路的損耗 ,對于控制電路 ,這部分是完成所需要的充電控制所需要消耗的能量。設(shè)充電電路的功率損耗為 Pcp ,控制電路的功率損耗為 Pctr ,電池吸收的功率為 Pb 則根據(jù)能量守恒 ,得到 Pl = Pcp + Pctr + Pb (3) 其中 Pl =dEg/dt是充電系統(tǒng)的輸入功率。 ? 太陽電池的輸出功率 3）最大效率設(shè)計原則 由以上分析可知 ,為了保證充電效率 ,太陽能充電系統(tǒng)必須滿足 : ? 充電電池必須保證功率吸收能力 。 ? 選擇合理的太陽能電池轉(zhuǎn)換輸出能量 6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 針對太陽能電池板輸出電壓、功率的變化性以及提高鉛酸蓄電池充電效率的方法 的分析 ,我們選擇了 DCDC 轉(zhuǎn)換模塊與充電管理模塊相配合為蓄電池充電的方式。 20 圖 3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 太陽能電池板受其接受太陽光的影響 ,輸出為呈顯著變化的直流電壓 ,經(jīng) DCDC 轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為蓄電池充電所需要的穩(wěn)定電壓 ,再經(jīng)過電路的合理調(diào)整 ,使其輸出為合適的電脈沖 ,并經(jīng)充電管理模塊的可靠保護(hù)對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時 ,蓄電池放電 ,保證負(fù)載不停電。Rb為蓄電池的內(nèi)阻 ,通常 Rb的值很小 ,可忽略不太陽能電池板 DCDC 轉(zhuǎn)換模塊 充電管理模塊 蓄電池 21 計 ,則蓄電池模型可處理為 : V=Vb=常數(shù) 若設(shè)定蓄電池在充 放電過程中其端電壓 Vb 的最大值和最小值分別為 Vmax 和 Vmin,則在蓄電池工作期間 ,其端電壓應(yīng)在 Vmax 和Vmin 之間變化。圖 5 中 ,蓄電池的輸入特性曲線接近太陽電池方陣的最大功率線 ,兩者本質(zhì)上具有良好的匹配特性。 22 圖 5 太陽能電池陣列和蓄電池直接耦合圖 8 太陽能控制器電路分析 圖 6 太陽能控制器主回路電路圖 圖 6 為 24 V/5 A 太陽能控制器主回路電路圖。 23 圖 6 中 Vin+和 Vin連接太陽能電池陣列的輸出， Vout+和 Vout連接直流負(fù)載， VB 和 GND 連 接鉛酸蓄電池的正負(fù)兩端。 D2 為“防反接二極官”，當(dāng)蓄電池極性接反