太陽(yáng)能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘青偉 羌淼淼 黃運(yùn)健 周小善 侯山君 張晉軒

摘要：進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)面臨著化石燃料短缺，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的的重大挑戰(zhàn)，能源問(wèn)題日益嚴(yán)重。而太陽(yáng)能作為一種理想的清潔能源，被看作具有代表性的新能源和可再生能源。為解決可持續(xù)供電、改善不方便拉電地區(qū)、拉電成本高地區(qū)等問(wèn)題，利用太陽(yáng)能易獲取、清潔、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)一款體積小、便攜的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，系統(tǒng)以太陽(yáng)能電池板為能源的核心對(duì)硬件電路進(jìn)行供電，控制電路以單片機(jī)為核心控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)充放電。太陽(yáng)能充電系統(tǒng)主要工作原理是通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過(guò)單片機(jī)變換電路處理后為負(fù)載供電，系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，硬件主要由電板的串聯(lián)部分、并聯(lián)部分、電池逆變器部分;軟件部分主要由通信、控制、A/D轉(zhuǎn)化等。最后制作了充電系統(tǒng)實(shí)物，并實(shí)進(jìn)行調(diào)試，現(xiàn)了充電功能，由此可證明該系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可行。

關(guān)鍵字：太陽(yáng)能;充電系統(tǒng);單片機(jī)

0引言

太陽(yáng)能是一種可再生能源。是指太陽(yáng)的熱輻射能（參見(jiàn)熱能傳播的三種方式：輻射），主要表現(xiàn)就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線。在現(xiàn)代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來(lái)，就主要以太陽(yáng)提供的熱輻射能生存，而自古人類(lèi)也懂得以陽(yáng)光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚(yú)等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽(yáng)能已成為人類(lèi)使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式，太陽(yáng)能發(fā)電是一種新興的可再生能源。黨的十八大以來(lái)，生態(tài)文明建設(shè)被納入“五位一體”總體布局，提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享五大發(fā)展理念，環(huán)境保護(hù)被提升至前所未有的戰(zhàn)略高度。在先階段的中國(guó)，電力能源中火力發(fā)電依然是占據(jù)相當(dāng)大的比重，而水利等新能源的發(fā)展受區(qū)域的影響很大，大規(guī)模的開(kāi)發(fā)需要很高的成本，為此研究設(shè)計(jì)太陽(yáng)能充電是一個(gè)環(huán)保節(jié)能的方案。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)地飛速發(fā)展，對(duì)能源地需求增大，但傳統(tǒng)能源地不可再生性又制約經(jīng)濟(jì)地發(fā)展，同時(shí)，生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)能源地矛盾也越來(lái)越突現(xiàn)，而太陽(yáng)能是一個(gè)行之有效、取之不盡地清潔能源，是我們發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)不可獲缺地重要手段，利用太陽(yáng)能發(fā)電是大勢(shì)所趨，勢(shì)在必行.

太陽(yáng)能發(fā)電主要是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。由太陽(yáng)電池組件組成的光伏方陣、太陽(yáng)能充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)型逆變器、直流負(fù)載和交流負(fù)載等構(gòu)成，主要部件為電子元器件。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

通過(guò)設(shè)計(jì)方便捷的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，解決電能不能大量存儲(chǔ)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)供電，降低拉電成本，改善拉電不便地區(qū)用電問(wèn)題，也可作為酒店，公共場(chǎng)所備用電源。太陽(yáng)能充電系統(tǒng)操作方便，功能齊全，能滿足各類(lèi)人群在生活中的需求，在未來(lái)有著良好而廣闊的市場(chǎng)前景。

1太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的技術(shù)理論基礎(chǔ)

1.1太陽(yáng)能充電系統(tǒng)工作原理

接受到陽(yáng)光的地方安裝太陽(yáng)能發(fā)電板，通過(guò)控制器將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，需要用電時(shí)通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換交流電，滿足部分用戶(hù)用電需求，以減少?gòu)碾娋W(wǎng)中的用電量，在無(wú)光照時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器由蓄電池組給直流負(fù)載供電，同時(shí)蓄電池還要直接給獨(dú)立逆變器供電，.通過(guò)獨(dú)立逆變器逆變成交流電，給交流負(fù)載供電。

2太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的概述及其介紹

2.1太陽(yáng)充電系統(tǒng)的主要組成部件

光伏電源即太陽(yáng)能電池組件，它的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要根據(jù)系統(tǒng)所需容量，以及對(duì)電流電壓的要求決定，為整個(gè)光伏系統(tǒng)提供可靠的能源。

控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分之一，它包括對(duì)蓄電池充放電的控制、系統(tǒng)故障的整定和判斷和信號(hào)檢測(cè)。控制器是光伏系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，為整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。

蓄電池組即代表了儲(chǔ)能元件，它直接接受并儲(chǔ)存光伏電源提供的電能，然后向負(fù)載提供可靠的輸出。

逆變器主要是將太陽(yáng)能電池和蓄電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)載使用。逆變器包括了穩(wěn)定電壓輸出、故障保護(hù)如線路短路、負(fù)荷過(guò)載、蓄電池充電過(guò)電壓和蓄電池放電欠電壓保護(hù)等功能。

2.2太陽(yáng)能充電系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)及構(gòu)造

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要包括硬件部分和軟件部分。

2.2.1硬件部分

硬件部分主要有三部分電路組成：電板的串聯(lián)部分，并聯(lián)部分，電池逆變器部分。電路圖如下圖所示。

2.2軟件部分

軟件部分主要有各部分通信、控制、A/D轉(zhuǎn)化等。設(shè)計(jì)中，由于從直線位移傳感器輸出的是電壓信號(hào)，而單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的是數(shù)字信號(hào)。因此，在直線位移傳感器與單片機(jī)之間還要有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路，使直線位移傳感器輸出得電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

3太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

3.1總電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的電路，以太陽(yáng)能電池板為能源的核心對(duì)硬件電路進(jìn)行供電，控制電路以單片機(jī)為核心。當(dāng)光伏電池受到光照產(chǎn)生電能，由單片機(jī)自帶的PWM功能產(chǎn)生脈沖控制MOSFET的通斷來(lái)給蓄電池充電，通過(guò)蓄電池兩端的分壓電阻測(cè)量蓄電池的端電壓，由于單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，分壓電阻端的電壓可直接與單片機(jī)相連，通過(guò)蓄電池端電壓的變化改變脈沖的占空比，提高蓄電池的充電效率，當(dāng)蓄電池達(dá)到充電充滿時(shí)的電壓后，控制MOSFET斷開(kāi)，停止給蓄電池充電，防止蓄電池過(guò)充。

3.2太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)

將若干個(gè)太陽(yáng)能電池板并聯(lián)和串聯(lián)起來(lái)，并排成陣列，構(gòu)成光伏陣列。光伏組件的串聯(lián)數(shù)目，是依據(jù)其最大的功率點(diǎn)電壓，與負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)的工作電壓相匹配來(lái)確定的，再根據(jù)負(fù)載所需的電流容量確定光伏組件的并聯(lián)數(shù)目。當(dāng)光伏組件串聯(lián)使用時(shí)，輸出的總電壓是單個(gè)光伏組件電壓之和，輸出的總電流等于工作電流最小的那個(gè)光伏組件的電流;

3.3控制電路設(shè)計(jì)

采用STC89C52單片機(jī)作為核心，因?yàn)镾TC89C52單片機(jī)有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作管理功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。STC89C52單片機(jī)具有強(qiáng)大的位操作指令，I/O口可按位尋址，程序空間高達(dá)8K，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需要。更值得一提的是，STC89C52單片機(jī)的價(jià)格非常低。

本系統(tǒng)通過(guò)STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制端和數(shù)據(jù)處理端。用戶(hù)可以在LCD1602液晶顯示器上進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察，也可以觀察當(dāng)前太陽(yáng)能充電電壓和充電時(shí)間以及室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫濕度、等環(huán)境參數(shù)，為自己設(shè)定相應(yīng)需要的數(shù)值?？刂齐娐吩韴D如下圖所示。

3.1控制電路原理圖

4太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的實(shí)物制作

首先準(zhǔn)備材料作為構(gòu)筑太陽(yáng)能充電的工具，需要太陽(yáng)能面板、蓄電池（與太陽(yáng)能面板的電壓匹配）、DC/AC轉(zhuǎn)換、充電控制器、電纜材料及工具材料（電線烙鐵，螺絲刀，萬(wàn)用表等）。其次是實(shí)際的連接，將太陽(yáng)能面板，充電控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載等依次進(jìn)行連接安裝。（注意分清電路的正負(fù)極）最后安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試要保證整個(gè)電路的安全，避免過(guò)放電。在電路連接正確安全的情況下，可以根據(jù)自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)外殼，實(shí)物圖如下。

5總結(jié)與展望

5.1總結(jié)

本次設(shè)計(jì)使用的是單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用型號(hào)為STC89C52，通過(guò)編程使單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片能夠?qū)Τ浞烹婒?qū)動(dòng)和控制。系統(tǒng)無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。一套光伏系統(tǒng)只要有太陽(yáng)，電池組件就會(huì)發(fā)電，加之采用合成自動(dòng)控制數(shù)，基本不用人工操作。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于時(shí)間和精力有限，設(shè)計(jì)還存在一定的不足，在未來(lái)的工作中，我們將對(duì)太陽(yáng)能充電系統(tǒng)進(jìn)一步完善改進(jìn)，使得晾是整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，便于使用。

5.2展望

作為清潔能源，太陽(yáng)能的多元化利用是時(shí)代發(fā)展的必然要求。在國(guó)際市場(chǎng)巨大潛力的推動(dòng)下，各國(guó)的太陽(yáng)能電池制造業(yè)爭(zhēng)相投入巨資，擴(kuò)大生產(chǎn)，以爭(zhēng)一席之地，所以太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)是很大的。由于全球人口和發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程加快，全球能源消耗呈現(xiàn)3%的速度增加，并在今后較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)將有可能維持這個(gè)增長(zhǎng)速度。而目前全球已探明的一次能源的儲(chǔ)量預(yù)計(jì)100年內(nèi)將會(huì)耗盡。因此，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都需要積極開(kāi)發(fā)利用可再生能源。太陽(yáng)能作為最重要的可再生能源之一，由于其清潔、衛(wèi)生、安全、資源豐富等多方面的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展越來(lái)越得到重視。當(dāng)然，全面推行使用新能源，更需要全民的共同努力。我們有責(zé)任從理論上不斷完善技術(shù)，從實(shí)踐上擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：潘青偉，廣西大學(xué)行健文理學(xué)院理工學(xué)部

通訊作者：張晉軒，廣西大學(xué)行健文理學(xué)院理工學(xué)部

課題項(xiàng)目：2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202113638078）