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太阳能供电系统摘要：近年来，能源需求不断增长，能源越来越紧张。太阳能资源具有储量大，经济环保等优点，具有很大的开发潜能，重新受到人类的重视。本文利用太阳能板和蓄电池，通过对太阳能板和蓄电池工作状态的控制，搭建了一套具有稳定输出电压的小功率太阳能供电系统。文章对具体的实现方案和最终的成果进行了介绍和说明。关键词：太阳能板；蓄电池；采样控制一、项目分析1、项目任务分析利用太阳能板和蓄电池搭建一套直流供电系统，该供电系统能够提供12V，0.2A和5V，1A的功率输出。当阳光充足时，太阳能板直接供电并给蓄电池充电；当阳光不足时，由蓄电池供电。本项目的目的在于了解太阳能供电系统的工作原理，掌握小功率太阳能供电系统的设计方法。任务要求判断阳光的强弱，根据阳光的情况确定系统的功率源是太阳能板或者蓄电池，并进行实时切换。另外，要求系统提供稳定的输出电压和一定的输出功率。因此，任务的要点有以下几方面：1) 光照强弱的判断：太阳能板将光能转换为电能，光照的强弱极大地影响着其输出功率。粗略地讲，太阳能板的输出功率随光照变弱而逐渐减小。在光照较弱或者完全无光时，太阳能板甚至会成为负载。在光照较弱，太阳能板无法提供足够的输出功率时，为保证系统的功率输出能力，需要将系统的功率源由太阳能板切换为蓄电池。在光照充足时，则需要再切换回来。因此如何准确及时地判断光照强弱对任务至关重要。2) 稳定的电压输出：作为供电电源，稳定的电压输出是一项基本要求；对蓄电池进行恒压充电时也需要保持电压的稳定。而太阳能板的输出电压会随着负载和光照情况发生变化。所以需要对太阳能板的输出电压进行稳压处理，保证输出电压的稳定。另一方面，系统有多电压等级输出，需要对输出电压进行电压等级的变换。3) 一定的输出功率：供电系统要能够提供12V，0.2A和5V，1A的功率输出，合计约为10W。太阳能板的最大输出功率受光照强弱的影响，光照减弱时，最大输出功率减小。一定的光照下，伏安特性和输出功率受负载大小的影响，呈现较为复杂的特性（详细的叙述见后文）。所以需要采用一定的措施保证太阳能板工作在合理的伏安特性区间，保证足够的输出功率。2、文献阅读在项目开题阶段，我们通过网络查找并阅读了一定的文献，了解了太阳能板和蓄电池的特性，并对当前太阳能电源的发展应用情况做了调研。主要阅读的文献如下：1 吴庭俊. 太阳能电池的特性研究及应用设计.华南理工大学. 20142 胡恒生. 蓄电池充电方法的分析和探讨.电源技术应用，2009,12(8)3 李加念. 基于BQ24650的太阳能蓄电池智能充放电控制设计.安徽农业科学，2014,42(14)4 王远. 太阳能电池及其应用技术研究.华中科技大学. 2006太阳能电池的特性研究及应用设计一文首先介绍了太阳能电池的结构、原理、基本特性和太阳能发电的发展与应用。随后进行了太阳能电池特性的研究，通过实验测定了太阳能电池的暗伏安特性，开路电压和短路电流与光强的关系，太阳能电池的输出特性以及环境因素对太阳能特性的影响。最后介绍了太阳能电池自动跟踪系统的设计。蓄电池充电方法的分析和探讨一文主要介绍了蓄电池的充电方法。文章首先叙述了蓄电池常用的充电方法，包括恒定电流充电法、恒定电压充电法、有固定电阻的恒定电压充电法、阶段等流充电法和浮充电法，并说明了每种充电方法的优劣。随后介绍了蓄电池的快速充电方法，包括定电流定周期快速充电法、定电流定出气率脉冲充电放电去极化快速充电法、定电流定电压脉冲充电放电去极化快速充电法、定电流提升电压脉冲充电放电去极化快速充电法、定电压定频率脉冲充电放电去极化快速充电法、端电压和充放电频率选择脉冲充电放电去极化快速充电法、适应全过程去极化脉冲充电放电去极化快速充电法等。最后探讨了两种较为理想的充电方法：三阶段充电法和定电流定电压快速充电法。基于BQ24650的太阳能蓄电池智能充放电控制设计一文主要介绍了一种太阳能蓄电池智能充放电控制器。该控制器利用TI公司的B24650芯片，该芯片具有太阳能最大功率点跟踪能力，以MSP430F213单片机作为主控器，实现了太阳能蓄电池充放电的智能控制，并具有防反充、防过充、防过放、过流保护和短路保护的功能。太阳能电池及其应用技术研究进行了硅太阳能电池基本特性实验，研究了硅太阳能电池（单晶、多晶、非晶硅太阳能电池）的基本特性，进而提出混合型太阳能电池应用系统的可行性；进行了量子阱半导体太阳能电池进行基本的理论研究；研究太阳能电池最大功率跟踪技术，并研制了太阳能电池最大功率跟踪控制器。此外还有其他很多资料，来源较为复杂，也不甚规范，但对于项目帮助很大，此处不再列出。二、太阳能板特性1、伏安特性与输出功率太阳能板的伏安特性曲线和P-V特性曲线如下图所示。图2 太阳能板P-V曲线PMVM图1 太阳能板伏安特性曲线在太阳能板的伏安特性曲线中，称为短路电流，定义为给定日照强度和温度下的短路输出电流。称为开路电压，定义为给定日照强度和温度下的开路输出电压。在负载电阻较小时，太阳能板近似电流源，其输出电流变化不大，输出电压随负载电阻的增大而增大。在负载电阻增大到一定程度后，伏安特性曲线发生转折，此后呈现近似电压源的特性，输出电压变化不大，输出电流随负载电阻增大而减小。在负载电阻增大过程中，输出功率开始时随之增大。在转折点附近，输出功率达到最大值，这一点称为最大功率点。最大功率点对应的电压为，最大功率点对应的电流为。在太阳能板的P-V曲线中也可以体现出这一点，随输出电压的增大，输出功率先增大后减小，在处达到最大。原则上来说，可以通过对输出功率求导，取导数零点从而得到最大功率点，进而求出对应的参数。但实际上要求出其解析解几乎是不可能的，因为它受到太阳能电池内部等效串并联电阻和光照温度等外部因素的影响，其特性方程通常无法获得。通常用实验的方法获得。2、光照强度对输出特性的影响太阳能板在同一温度不同光照下的输出特性如下图所示，其中图3为不同光强下太阳能板伏安特性曲线，图4为不同光强下太阳能板的P-V曲线。图3 不同光强下太阳能板伏安特性曲线图4 不同光强下太阳能板P-V曲线从伏安特性曲线可以看出，太阳能板的短路电流和最大功率点电流随光照强度的上升而显著增大。太阳能板的开路电压随光照强度的上升略有上升，但变化幅度不大，而最大功率点电压则有较为明显的增大。此外，随负载电阻的增大，在最大功率点以后，输出电压的变化率随光强的增大而变小。也就是说，在光强较弱时，随着负载的增大，输出电压的跌落更加明显。这对于根据输出电压情况判断光照和负载情况提供了很大便利，后文会详述。太阳能板的最大输出功率随光强的增大有较为明显的增大，如图4中虚线与实线的教交点所示。同时可以看出最大功率点电压由明显的向右偏移。3、本系统所用的太阳能板本系统所用的太阳能板的参数如下： 最大输出功率：25W； 短路电流：1.38A； 开路电压：23V； 最大功率点电流：1.27A； 最大功率点电压：19.7V。三、太阳能供电系统的设计与实现1、系统整体框架和实现思路任务要求实现太阳能供电系统，并根据光照情况选择并切换功率源，需要控制在阳光充足时由太阳能电池供电，在阳光不足时由蓄电池供电。总体的系统框架如图5所示。控制系统作为中枢，来控制太阳能电池、蓄电池和负载之间的连接关系。控制系统主要实现两个功能：1) 当控制系统判断光照足够，太阳能电池的功率足以供给负载时，则控制太阳能电池板单独向负载供电，同时给蓄电池充电。图5 太阳能供电系统总体框图2) 当控制系统判断光照不足时，太阳能电池功率不足以供给负载，则由太阳能电池向蓄电池充电，同时由蓄电池单独向负载供电。如何判断光照情况进而决定系统功率源是项目的一个关键问题。从前文太阳能板的特性叙述可知，在负载电阻不太小时，输出电压的变化不大，近似恒压源。而输出电压与光照有关，当光照降低时，输出电压会减小，输出功率也会减小。因此，可以通过单片机采样太阳能电池输出电压，判断光照强弱。单片机根据采样得到的数据判断光照情况，进而输出电平信号控制电路的连接方式。这种控制方式还有另外的好处。在光照强度一定情况下，当负载较大，超过了太阳能板的最大输出功率时，负载电阻较小，太阳能板的工作点将会越过最大功率点，此时输出电压会减小，使得输出功率降低。如果将控制临界电压选择的比最大功率点电压略小，则系统会自动切换为由蓄电池供电，避免了输出功率不足，一定程度上增大了系统输出功率上限，从而提高了系统性能。从另外的角度看，在光照较弱的情况下，太阳能板最大输出功率会随之减小，系统输出功率不足，此时应该由蓄电池供电。但如果负载不大时，太阳能板足够提供负载所需的功率。根据太阳能板的伏安特定，其输出电压较高，所以控制系统不会动作，仍然由太阳能板供电。这样一来，就避免了光照较弱时完全弃光，提高了光能的利用率。2、系统主体部分电路设计2.1 单片机的选择单片机是整个系统的核心控制模块，选用的是TI公司的MSP430G2553芯片。MSP430系列单片机是超低功耗单片机，它的低功耗特性在众多单片机中异常优越。对于只能由太阳能板供电的系统，其功率有限，且要保证有足够的输出功率，所以MSP430的低功耗特性有很大优势。G2553芯片有一个10位精度的内部AD，可以实现电压模拟量到数字量的转换，能够满足系统要求。其内部的时钟系统可以实现定时中断，完成电压定时采样。考虑到实验室的现有资源和之前的学习情况，最终选定了这款芯片。实验室提供的G2553开发板的供电电压为5V，经转换电路变为3.55V，芯片输出高电平为3.55V。开发板上提供了频率为32768Hz的晶振，作为单片机的系统时钟。2.2 单片机对电路的控制设计控制电路通断，采用的是单片机控制继电器的方式。单片机的功率很小，不能驱动继电器。为了驱动继电器，需要使用驱动芯片ULN2003A。ULN2003A为达林顿管驱动芯片，共7路输入和7路输出，每一路都相当于一个反相器，当输入为高电平时输出为低电平，当输入为低电平时输出为高电平。每个反相器的内部结构为由两个三极管组合而成的达林顿管放大电路，该电路可以放大电流，提供给继电器足够大的电流以使其正常工作。其内部电路图和引脚图如下图所示。 图7 ULN2003A引脚图图6 ULN2003A内部电路图2.3 系统整体电路图太阳能板的输出电压通过充电稳压模块接到蓄电池，对蓄电池进行恒压充电。系统中所用的蓄电池为12V，6.5AH，其充电电压以14.4V为宜，所以充电稳压模块输出电压选为14.4V。传统的恒压充电方式在充电过程中电流变化较大，充电初期充电电流过大，充电后期充电电流过小，会损伤电池寿命。但太阳能电池的功率较小，不足以在充电初期产生很大电流，对蓄电池的损害较小。且恒压充电易于控制，所以采用恒压充电方式。为了节约时间，提高效率，我们的稳压模块都是采用的市面上现有的完整模块。这些模块大都为降压模块，正常工作时的输入输出压差要在1.5V以上，不能将12V左右的电压稳定在12V。考虑到12V蓄电池的输出电压基本稳定在12V左右，所以系统+12V的输出不对蓄电池进行稳压。而太阳能板稳压模块用于太阳能板直接输出时的稳压，将其电压稳定在与蓄电池同一等级的+12V。输出稳压模块的输入电压为+12V，其输出电压有三个等级，分别为12V和5V。其中+12V输出直接采用输入电压，不进行处理，12V和5V输出需进行电压等的变换，详细说明见后文。R2R1图8 太阳能供电系统主电路太阳能板太阳能板稳压充电稳压蓄电池输出稳压单片机ULN2003AA继电器1继电器23、系统外围电路设计3.1 稳压电路我们在系统中使用的稳压模块都是直接买到的，但是其工作原理还是较为清晰的。系统中多处用到稳压电路，不同位置的稳压电路，根据其功能不同，有不同的设计方案。具体来讲共有三类。1) 太阳能板稳压和输出稳压的5V输出部分，利用开关集成稳压芯片LM2596，采用典型电路中的固定电压输出方式，电路图如下图所示。LM2596芯片有33V，12V，5V和可调等输出电压等级，太阳能板稳压选用12V输出电压等级芯片，输出稳压的5V输出部分采用5V输出电压等级芯片。图9 5V输出稳压电路2) 蓄电池充电稳压部分的输出电压为14.4V，需要选用可调输出的LM2596芯片，同时采用可调输出电路，电路图如下图所示。图10 可调输出稳压电路输出电压 ，其中。为保证14.4V的输出，有：。图11 负电压转换电路3) 输出稳压的12V输出部分，需要将+12V电压转换为12V电压。这里使用了MAX765芯片。MAX765芯片是DC-DC反相器芯片。该芯片能将+3+15V的输入电压转换为-12V的输出电压，最大输出电流为250mA。稳压电路如下图所示。3.2 供电电路系统中的继电器和单片机都是由5V直流电源供电的。系统中器件的供电由蓄电池提供，通过7805稳压芯片将12V电压转换为5V电压。7805稳压电路如下图所示。图12 7805稳压电路输入电压，。由于输入电压比输出电压高出7V，压差较大，容易使7805有较为严重的发热，所以加入二极管D1、D2来适当减小输入电压。同样由于发热的原因，在系统中给7805加了散热片，以防止芯片过热。4、单片机控制逻辑单片机通过采样电阻采样获得太阳能板的输出电压，系统中。所以，其中为采样得到的电压，为太阳能板输出电压。经过上式可以将采样电压换算求得实际输出电压。当大于临界电压时，系统以太阳能板为功率源，当小于临界电压时，系统以蓄电池为功率源。经过我们在阳光下的实际测量结果，取较为合理。这个值略小于太阳能板的最大功率点电压，既可以保证光照较强时完全由太阳能板供电，也可以保证光照较弱时由太阳能板提供小功率输出，由蓄电池提供大功率输出，提高了光照的利用率。单片机通过时钟定时中断完成对电压的采样并进行分析。根据电压情况控制引脚的电平输出。前文已经说过，供电部分的7805芯片可能存在过热的问题，所以在单片机驱动继电器的部分加以设计，使得每一时刻都只有一个继电器处于吸合状态，而另外一个处于释放状态。这样可以避免7805同时为两个继电器供电而造成过热。单片机的工作逻辑为： ，P2.0输出低电平，继电器1处于释放状态，由太阳能板供电，P2.1输出高电平，继电器2处于吸合状态，太阳能板为蓄电池充电。 ，P2.0输出高电平，继电器1处于吸合状态，由蓄电池供电，P2.1输出低电平，继电器2处于释放状态，太阳能板不给蓄电池充电。单片机程序如下所示：#include io430.h#include in430.hint main( void ) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /P2.0,P2.1输出电平，用于控制继电器 P2SEL &= (BIT0+BIT1); P2SEL2 &= (BIT0+BIT1); P2DIR |= (BIT0+BIT1); P2OUT |= (BIT0+BIT1); ADC10AE0 |=BIT0; /P1.0模拟电压信号输入 ADC10CTL0 |=ADC10ON; /打开ADC电源 ADC10CTL1 |= ADC10SSEL_1 + INCH_0; /单通道单次转换 ADC10CTL0 |=ENC; TA0CTL |=TACLR+TASSEL_1+MC_1; /定时器增计数，时钟为ACLK TA0CCR0=3276; /0.1秒中断一次 TA0CCTL0|=CCIE; /打开中断分控位 _EINT(); /打开中断总控位 while(1);#pragma vector=TIMER0_A0_VECTOR /中断子程_interrupt void time_count(void) ADC10CTL0 |=ADC10SC; /电源电压模数转换 while(ADC10CTL0&ADC10IFG)=0); int voltage=ADC10MEM; /读取电压值 if(voltage730) /电压达到一定值，P2.0输出低电平，P2.1输出 P2OUT &=BIT0; /低电平，反之电平输出也相反 P2OUT |= BIT1; else P2OUT |= BIT0; P2OUT &=BIT1; 四、项目总结1、完成情况经过两周的工作，我们成功实现了太阳能供电系统，并进行了实际功能的测试。首先在实验室利用直流稳压电源模拟太阳能板的输出，通过调节输出电压的大小模拟光照负载变化时太阳能板输出电压的变化情况。当输出电压降低至预定值时，系统自动将功率源由模拟太阳能板的稳压电