太阳能供电系统的研究

太阳能供电系统的研究

0太阳能在土壤中的应用太阳能被称为绿色能源，可以通过一次投资长期使用。在农用温室大棚中,经常利用太阳能进行能源转化,变成热能后将热能导入土壤中的地热装置,用于寒冷气候条件下的温室蔬菜种植;也经常利用太阳能转化成电能储存在蓄电池中,主要用来带动水泵,进行热水循环、室内照明及其他方面用电。但是,太阳能供电系统设计是一个比较棘手的问题。笔者针对此问题,提出了一种新颖的设计电路。1能源能源的设计太阳能供电系统主要由太阳能电池、铅酸蓄电池、稳压电路、充电器、电池电量监测及弱光情况技术处理等6部分组成。其总体框图如图1所示。1.1求取晶太阳能电池转化效率低太阳能电池主要有单晶硅和双晶硅两种。单晶硅太阳能电池的转换效率高,但是加工工艺要求高,成本也高;多晶硅太阳能电池的转化效率低,成本较低。用户可以根据实际情况进行选择。选择太阳能电池的另一个依据是供电系统的功率。决定太阳能电池功率的主要参数是开路电压和短路电流。一般情况下,可以通过测试这两个参数来检验一块太阳能电池是否合格。1.2考虑经济效益的因素一般来说,选择与太阳能电池相匹配的蓄电池应该从可靠性、使用寿命和容量等3方面来考虑。密封免维护铅酸蓄电池由于具有密封好、无泄漏、无污染、寿命长等优点,近年来在国内外得到广泛应用,所以本设计选用铅酸蓄电池。1.3浮充电压检测充电器的设计是整个太阳能供电系统的关键。由于充电技术不能满足免维护蓄电池的特殊要求或充电方法错误,使密封免维护铅酸蓄电池很难达到规定的循环寿命。充电器设计的主要难点是如何设定充电脉冲、控制充电电压和充电电流的变化。铅酸蓄电池的常规充电方式有两种,即浮充(又称恒压充电)和循环充电。浮充时,要严格掌握充电电压,如额定电压为12V的蓄电池,其充电电压应在13.5～13.8V之间。浮充电压过低,蓄电池将充不满,过高则会造成过量充电。电压的调定应以初期充电电流不超过0.3C(C为蓄电池的额定容量)为原则。循环充电时,其初期充电电流也不宜超过0.3C,充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以0.1C的充电速率进行恒流充电数小时,当充电安培小时数达到放电安培小时数的90%时,再改用浮充电压充电,直至充满。以上两种方式存在着一些不足之处。在充电过程中,电池电压逐渐增高,充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态如何,充电电压总是恒定的,充电电流刚开始比较大,然后按指数规律下降。采用快速充电可能使蓄电池过量充电,易导致电池损坏。对于循环充电而言,采用较小电流充电效果较好。但对于大容量的蓄电池,充电时间就会拖得很长,时效低,造成诸多不便。为了避免产生上述问题,德州仪器生产了一款密封铅酸蓄电池专用的充电控制芯片UC2906/UC-3906。它具有实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。更重要的是,它能使充电器各种转换电压随电池电压温度系数的变化而变化,从而使密封铅酸蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。使用UC2906只需很少的外部元器件就可以实现对密封铅酸蓄电池的快速精确充电。图2所示的是一个完整的充电器电路。由RA,RB,RC组成的电阻分压网络用来检测充电电池的电压,通过与精确的参考电压(VREF)REF相比较来确定浮充电压、过充电压和涓流充电的阈值电压。蓄电池的充电周期按时间可分为3种状态,即大电流快速充电状态、过充电状态和浮充电状态。其充电参数主要有浮充电电压VF、过充电电压VOC、最大充电电流Imax、过充电终止电流IOCT等。它们与RA,RB,RC,SR之间的关系式为VF,VOC和VREF成正比。其中,VREF的温度系数是-3.9mV/℃,Imax,IOCT,FV,VOC可以独立地设置。只要提供的输入电源允许或功率管可以承受,Imax的值可以尽可能地大。虽然某些厂家宣称如果有过充保护电路,充电率可以达到甚至超过2C,但是电池厂商推荐的充电率范围是C/20～C/3。IOCT的选择应尽可能地使电池接近100%充电,合适值取决于VOC和在VOC时电池充电电流的衰减特性。Imax和IOCT分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压与检测电流的电阻RS决定;VF和VOC的值是由内部参考电压VREF与外部电阻RA,RB,RC组成的网络决定。由于只需很少的外部元器件就可以在很宽的温度范围内实现电池的精确快速充电,所以采用UC2906简化了充电器的设计过程。1.4太阳能系统的设计稳压电路对整个系统的精度起着决定性的作用。太阳能电池的输出电压是直流电压,波动范围不是很大,相对来说稳压电路的设计比较容易。但是对于太阳能供电系统,为了节省能量,对稳压电路的要求是尽量提高其转换效率。采用一般的稳压模块虽然成本比较低,但是其转换效率也低。所以,可以采用DC-DC模块,其转换效率高,而且输入电压的范围比较广。有一点需要说明的是,DC-DC模块的开关频率比较高,会产生一些高频的噪声,在其输出可以加上小电容来进行滤波、降噪。1.5放电系统电路在此电路设计中加入电池电量以及供电方式的检测,是为了让维护的工作人员能够及时、准确地判断出系统电源的工作状态。电池电量监测是为了判断出蓄电池的电量,在这里采用了10段比较器LM3914来实现。其具体电路如图3所示。这个电路利用了电压比较原理来实现。电位器可调节比较器的输入电压到合适的值(0～5V),R4,5R用来设定一个单位的比较电压值。1.6宽范围电压调整模块在弱光情况下,太阳能电池的输出电压会比较低,总的输出功率也比较小。这时,如果按照前面所设计的电路,太阳能电池的输出电压达不到充电器所需的输入电压,电能无法被利用。为了把弱光时太阳能电池转换的能量利用起来,需要提高其输出电压。这可利用LTC1977宽范围电压调整模块来实现。它在从3.3～60V的输入电压范围内均可以获得稳定的电压输出,输出电压可以通过两个电阻设置在2.5～12V之间的任何一个值。其电路图如图4所示。图4中,二极管1N4148起防止电流导流的作用;继流二极管10MQ100N起继流作用,防止SW腿的电压过低;R2和3R的值决定了输出电压的值。R2与R3间的关系式为一般取R3=100kΩ,只要确定了输出电压VOUT,就可以根据上面的公式计算出R2的值。2实验系统的运行基于以上的设计方法和步骤,根据实际需要设计出了一套太阳能供电系统。系统采用了单晶硅太阳能电池,型号为18V40W;铅酸蓄电池采用了南都的密封免维护铅酸蓄电池,型号为12V75W。根据实际需要,选择双12V和单5V的安时捷D12S5-5W型电源模块。其中,系统额定负载为2W。整套系统通过实验运行,最终得到的实验结果为:电池充满电以后,在没有太阳光的情况下,可以连续不间断地运行300h;在正常的太阳光照情况下,系统可经运行1周仍维持蓄电池的电量不变;