太陽能供電系統(tǒng)的原理分析及設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 王 浩

太陽能供電系統(tǒng)的原理分析及設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 王 浩

本文首先對太陽能供電系統(tǒng)的工作原理及其組成進(jìn)行了分析,然后對太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分別從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個方面進(jìn)行闡述。

太陽能;供電系統(tǒng);原理;設(shè)計(jì)

1.太陽能供電系統(tǒng)的工作原理及其組成

太陽能供電系統(tǒng)指的是通過太陽能電池所具有的光伏效應(yīng),直接把太陽能的光輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿南到y(tǒng),太陽能電池板、控制器、逆變器和蓄電池等共同組成了一套常用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

(1)太陽能電池板:太陽能電池板的作用是直接把太陽光輻射能轉(zhuǎn)換成電能,既能夠?yàn)槠渌考峁┴?fù)載能量,也可以在蓄電池里將電能存儲起來。

(2)控制器:控制器可以給蓄電池提供適宜的充電電壓和電流,可以給蓄電池充電,具有安全快速的特點(diǎn),在減少充電過程中功耗的同時,還可以制止過度充電和過度放電現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)逆變器:逆變器的主要作用就是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電,具體是指通過逆變過程把蓄電池提供的或太陽能電池板所帶的低壓直流電轉(zhuǎn)變成供給交流負(fù)載使用的交流電,倘若滿足電網(wǎng)對交流電的要求,則可以將其并入到電網(wǎng)中。

(4)蓄電池:蓄電池的功能是轉(zhuǎn)換太陽能電池板中的電能為化學(xué)能,并存儲起來供負(fù)載使用。為了避免陰雨天氣以及夜間情況下太陽能光輻射能較小使得負(fù)載無法發(fā)揮作用的局面,可以在太陽光充足時將電能儲存在蓄電池中,這樣蓄電池也可以作為電源來提供給負(fù)載使用。

2.太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 太陽能供電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在這個系統(tǒng)中,系統(tǒng)一般由兩大部分組成,其中有有主控制器和工作模塊。工作模塊有三個,一個是數(shù)據(jù)采集模塊,還有人機(jī)交互模塊、充放電模塊。在這個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊能夠采集到系統(tǒng)中各個部位的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。在使用人機(jī)交互模塊后,系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)被顯示出來,從而為太陽能供電系統(tǒng)服務(wù)。

圖1 太陽能供電系統(tǒng)框圖

在太陽能供電系統(tǒng)中,充電和放電過程實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞。所示,該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖可以反映出該系統(tǒng)的充放電過程。在圖2中紅色箭頭代表能量傳遞,粗黑色箭頭代表控制線,藍(lán)色箭頭代表數(shù)據(jù)采集線,雙箭頭代筆控制線+數(shù)據(jù)采集線。

圖2 太陽能供電系統(tǒng)平臺的硬件設(shè)計(jì)框圖

充電時,借助太陽能電池板,可把太陽能的光能轉(zhuǎn)化為電能,接著,在到達(dá)串并聯(lián)開關(guān)后,可利用BUCK轉(zhuǎn)換電路對電量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,最后把電能導(dǎo)入蓄電池中,以便后續(xù)備用。放電時,蓄電池會將輸出的電能提供給負(fù)載利用。在控制的全部環(huán)節(jié)中,系統(tǒng)借助每一個模塊采集到的各種數(shù)據(jù)之后,就能為系統(tǒng)控制提供更多依據(jù)。在這兩個過程中,起到主導(dǎo)控制作用的部件是單片機(jī),該單片機(jī)可作為主控制器的芯片。人機(jī)交互的組成部件一般包括兩個,一個是液晶,另外一個就是上位機(jī),其中液晶能隨時隨刻實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測,上位機(jī)可以在室內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行控制以及存儲一些數(shù)據(jù)。

2.2 太陽能供電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序的主要工作是完成系統(tǒng)的初始化,環(huán)境參數(shù)以及各部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集,并完成電池板串并聯(lián)控制、數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)控制等操作。

2.2.1 溫濕度采集子程序

溫濕度傳感器的實(shí)質(zhì)是數(shù)字傳感器芯片,在本文所述系統(tǒng)中,可使用SHT11傳感器。該傳感器經(jīng)過初始化階段之后,可對采集溫濕度數(shù)據(jù)的命令進(jìn)行查詢。主控芯片可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯语@示出來,具體途徑就是使用"啟動傳輸"時序來實(shí)現(xiàn)。主控芯片跟溫濕度傳感器之間的信息通訊的媒介是時鐘線和數(shù)據(jù)線。在每一次數(shù)據(jù)傳輸啟動時序結(jié)束之后,務(wù)必在系統(tǒng)中設(shè)置檢測的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)結(jié)果的位數(shù)。在這個系統(tǒng)中,要對溫度、濕度選取的測量精度進(jìn)行確定,前者為14位,后者為12位。最后,通過SHT11實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出,該數(shù)字量要通過線型補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償這個步驟之后才能獲取到最終相對準(zhǔn)確的測量數(shù)值。

2.2.2 光照強(qiáng)度采集子程序

本程序采用的芯片是光頻轉(zhuǎn)換芯片TSL230,該芯片輸出是一連串的方波,來采集頻率信號。人們希望通過簡單的方式使電池更容易達(dá)到最大功率值處,在降低成本的同時又實(shí)現(xiàn)了提高電池充電電流,從而使電池充電效率更高。如果能通過太陽能電池為都市中的多種公用照明設(shè)備提供電源,那么,其較高的性價比必然會提高市場競爭力。

3.小結(jié)

在本文的太陽能供電系統(tǒng)中,電池在工作的過程中有一個瓶頸:由于電池處于最大功率時,電流不是最大的,怎樣以低成本來使太陽能電池工作功率是最大的時候來提高蓄電池的充電電流,并且提升蓄電池接受電量的效率,進(jìn)一步減少成本的之處。這是未來需要改進(jìn)和努力的方向。如果能將該系統(tǒng)大范圍應(yīng)用于城市道路路燈、園林景觀燈等場合,那么該系統(tǒng)強(qiáng)大的市場競爭力是毋庸置疑的。

[1]胡杰,吳新義,張志超等?；谔柲躄ED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)[J]?，F(xiàn)代電子技術(shù),2010,329(18):200-204.

[2]韓群勇。太陽能家用照明系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)[D]福建:福建農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.