小功率太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：太陽(yáng)能作為一種高效無(wú)污染的天然能源，必將成為未來(lái)常規(guī)能源的一種重要的替代品。本文介紹了一種小功率太陽(yáng)能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板模塊、充放電控制電路、液晶顯示電路、蓄電池、逆變控制電路組成，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，并通過(guò)充放電控制器控制蓄電池充放電，逆變控制模塊把直流電流逆變?yōu)?20V±5V、50±2HZ的交流電。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；充放電控制；逆變

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615

能源是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和改善人民生活的重要物質(zhì)，能源問(wèn)題是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的關(guān)鍵[1，2]。石油、煤炭資源的減少，環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，使得發(fā)展新能源和可再生能源刻不容緩。太陽(yáng)能是豐富的可再生能源，充分利用太陽(yáng)能可以保持人與自然的和諧發(fā)展。人類(lèi)早期對(duì)太陽(yáng)能的利用主要是光和熱，光伏發(fā)電技術(shù)的興起為太陽(yáng)能的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，受到各國(guó)政府的重視，自90年代以來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用于航空航天、通訊、交通和偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民用電等。近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電始終保持30%-40%的年增長(zhǎng)量，被譽(yù)為全世界增長(zhǎng)最快的能源。在不遠(yuǎn)的將來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)成為世界首要消費(fèi)能源。對(duì)比國(guó)際光伏發(fā)展的大環(huán)境，世界光伏產(chǎn)業(yè)每年以31%的速度發(fā)展，而我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)每年只有15%的增長(zhǎng)率[3]，因此，開(kāi)展光伏發(fā)電研究項(xiàng)目，拉動(dòng)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展事在必行。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小功率太陽(yáng)能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板模塊、蓄電池、充放電控制電路、液晶顯示電路、逆變器電路組成。太陽(yáng)能電池通過(guò)光生伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成直流電能，充放電控制器控制直流電能對(duì)蓄電池充電和蓄電池對(duì)外放電，并對(duì)電池電壓、輸出電流進(jìn)行測(cè)量，送出顯示，同時(shí)充放電控制器還控制蓄電池的過(guò)放，過(guò)流保護(hù)以及過(guò)放、過(guò)流恢復(fù)。蓄電池輸出的直流電流通過(guò)逆變器和工頻變壓器得到220V±5V、50±2HZ的交流電，為負(fù)載供電[4]，系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

單晶硅太陽(yáng)能電池是按一定結(jié)構(gòu)排列的P-N結(jié)，根據(jù)光生伏打效應(yīng)的原理，將光能量轉(zhuǎn)換成電能。充放電控制器的核心器件為蓄電池充電控制芯片UC3906和單片機(jī)STC12C5410AD。由文獻(xiàn)[5，6]可知，UC3906內(nèi)置有電壓、電流檢測(cè)與比較電路，以及獨(dú)立的電壓控制回路和限流電路，具有蓄電池最優(yōu)充電需要的控制和檢測(cè)功能，充電過(guò)程分為大電流充電、恒壓充電、浮充充電，與理想的蓄電池充電曲線(xiàn)相近[7]，UC3906充電狀態(tài)曲線(xiàn)如圖2，更為特殊的是它的充電特性受溫度系數(shù)的影響與蓄電池一致。UC3906控制電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 UC3906充電狀態(tài)曲線(xiàn)

STC12C5410AD除具備一般單片機(jī)的功能外，還內(nèi)置有八路AD，STC12C5410AD利用內(nèi)置的ADC對(duì)蓄電池電壓、充放電控制器輸出電流測(cè)量并送出顯示，同時(shí)，對(duì)電池電壓和輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)流時(shí)，STC12C5410AD控制輸出繼電器關(guān)閉；當(dāng)電池電壓和輸出電流恢復(fù)正常后，又重新啟動(dòng)輸出繼電器，這樣可以保護(hù)蓄電池，過(guò)流、過(guò)放在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)有相應(yīng)的指示燈指示和蜂鳴器報(bào)警。

圖3 UC3906控制電路

液晶顯示電路主要采用基于ST7920控制器的液晶模塊SMC1602A及相應(yīng)的簡(jiǎn)單電子器件構(gòu)成，其中，液晶SMC1602A具有16條口線(xiàn)，具有可選擇的4位、8位位流處理能力，采用4或8位并行數(shù)據(jù)傳送，傳送速度快，功耗相對(duì)較低，能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。逆變器由集成SPWM逆變芯片EG8010、IR2110驅(qū)動(dòng)電路[8]、全橋逆變電路、工頻變壓器構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)全橋電路設(shè)計(jì)如圖4所示。全橋逆變電路開(kāi)關(guān)管型號(hào)為IRF3205，耐壓值55V，電流110A，IRF3205內(nèi)阻小，因而開(kāi)關(guān)管自身?yè)p耗較低。

圖4 驅(qū)動(dòng)、全橋電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序流程如圖5所示，采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序。編程思路為：利用STC12C5410AD內(nèi)置的兩路10位ADC分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓和充放電控制器放電電流，除了對(duì)測(cè)量的電壓與輸出電流的結(jié)果送出顯示，還根據(jù)測(cè)量結(jié)果控制輸出繼電器開(kāi)關(guān)并給出報(bào)警信號(hào)，從而保護(hù)蓄電池。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 充放電控制器測(cè)試

表1 充放電控制器的測(cè)量數(shù)據(jù)

表1所示參數(shù)說(shuō)明充電電流與太陽(yáng)能電池短路電流相近，正常充電時(shí)此太陽(yáng)能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)能充分地利用太陽(yáng)能電池的功率。系統(tǒng)的充電效率高，平均可達(dá)90%以上，充電損耗主要來(lái)自電流檢測(cè)電阻、晶體管、整流二極管。采用低導(dǎo)通壓降的晶體管和整流二極管，可有效減小損耗。

3.2 逆變器參數(shù)與功能檢測(cè)

測(cè)試方法：觀察輸出波形時(shí)，使用兩根衰減10X的示波器探頭串聯(lián)，并在示波器中設(shè)為20X的衰減率；電壓、電流均采用數(shù)字萬(wàn)用表直接測(cè)量；切換負(fù)載開(kāi)關(guān)選擇改變負(fù)載，分別測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。不同負(fù)載下的輸出波形如圖6、7。

圖6 空載時(shí)的輸出波形圖

圖7 負(fù)載為5W節(jié)能燈的輸出波形圖

表2 不同負(fù)載條件下逆變器的參數(shù)

由圖6、7的波形及表2中的數(shù)據(jù)總結(jié)如下：隨著負(fù)載增大，逆變器輸出波形穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯畸變，頻率變化量為0.1HZ，高于設(shè)計(jì)要求的50±2HZ，逆變轉(zhuǎn)換效率增高，但電壓下降幅度偏大，輸出功率超過(guò)15W時(shí)已不能滿(mǎn)足220±5V的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種小功率光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了功能、性能測(cè)試，經(jīng)測(cè)試設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有電流、電壓實(shí)時(shí)顯示，過(guò)放、過(guò)流保護(hù)及恢復(fù)、反接、短路保護(hù)，過(guò)充保護(hù)等功能，在輸出功率不超過(guò)15W時(shí)，逆變輸出的正弦波畸變小，電壓、頻率穩(wěn)定，逆變效率可接近88%。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊金煥，陳中華.21世紀(jì)太陽(yáng)能發(fā)電的展望[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（04）：23-28.

[2]李芬，陳正洪等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J].水電能源科學(xué)，2011（12）：188-192.

[3]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.太陽(yáng)能LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2011：70-73.

[4]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第九屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009：3-3.

[5]路秋生，趙紅，唐繼芳.采用UC3906的開(kāi)關(guān)型鉛酸蓄電池充電電路[D].北京：北京信技術(shù)學(xué)院，2006.

[6]李兵.基于UC3906的免維護(hù)鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計(jì)[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[7]楊振華.鉛酸蓄電池知識(shí)培訓(xùn)資料[D].陜西：陜西凌云蓄電池廠，2006.

[8]劉風(fēng)君.正弦波逆變器[M].北京：科學(xué)出版社，2002：8-11.

作者簡(jiǎn)介：陳忠進(jìn)（1986-），男，江蘇海安人，碩士研究生，從事圖像處理及應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究；通信作者：吳艷（1980-），女，湖北天門(mén)人，博士，從事圖像處理及應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。

作者單位：廣西科技大學(xué)電氣學(xué)院，廣西柳州 545006

基金項(xiàng)目：廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目：院科博11Z08。