0 引言
能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質基礎。目前的世界能源以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主體。而化石能源是不可再生的資源，并且在生產和消費過程中產生大量污染物，破壞生態(tài)環(huán)境。
通過太陽能電池將資源無限、清潔干凈的太陽輻射能轉化為電能的太陽能光伏發(fā)電，是新能源和可再生能源家族中的重要成員之一。
1 太陽能電池的基本原理及伏安特性
當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流，這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應。該效應在液態(tài)和固態(tài)物質中都會發(fā)生。但只有在固體中，尤其是在半導體中，才會有較高的轉換效率。
太陽能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉換為電能的器件，當太陽光照射到半導體P-N結時，就會在P-N 結兩邊產生電壓，使P-N 結短路，從而產生電流。這個電流隨著光強度的加大而增大，當接受的光強度達到一定數(shù)量時，就可以將太陽能電池看成恒流電源。
對于太陽能電池方陣而言，應按照用戶的要求、負載的用電量及技術條件確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽能電池方陣的工作電壓決定，應考慮蓄電池的均浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對太陽能電池的影響。蓄電池的容量決定其最大充電電流，該數(shù)值再結合負載電流，可決定太陽能電池并聯(lián)數(shù)。
太陽能電池的輸出特性圖如圖1所示，太陽能電池的輸出伏安特性曲線是進行系統(tǒng)分析的最重要的技術數(shù)據(jù)之一。從圖1 中可以看出，太陽能電池的伏安特性具有強烈的非線性。
圖1 太陽能電池輸出特性
在光伏系統(tǒng)中，負載的匹配特性決定了系統(tǒng)的工作特性和太陽電池的有效利用率。要想在太陽電池供電系統(tǒng)中得到最大功率，必須跟蹤日照強度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負載阻抗的大小，從而達到陣列與負載的最佳匹配，該方法被稱為最大功率點跟蹤淵MPPT冤法。
2 小功率太陽能控制器
圖2 為小功率太陽能控制器電路結構圖，蓄電池和太陽能電池陣列直接耦合， 當白天有陽光時，太陽能電池陣列向蓄電池充電，當夜晚或陰天陽光不足時，蓄電池放電，保證負載不停電。
圖2 小功率太陽能控制器電路結構
對于小功率太陽能控制器而言，為節(jié)約成本，常用的控制方式為恒定電壓跟蹤淵CVT冤法，即通過合理選擇太陽電池的串并聯(lián)數(shù)，使陣列在最大功率點附近的運行電壓近似于蓄電池的端電壓，即可獲得蓄電池和太陽電池方陣之間的電壓最佳匹配。
3 24V/5A太陽能控制器電路分析
圖3為24 V/5 A 太陽能控制器主回路電路圖。該控制器采用單路旁路型充放電控制器形式，即MOSFET管S1 并聯(lián)在太陽能電池陣列的輸出端，當蓄電池端電壓充到均充電壓值時，S1進入脈寬調制狀態(tài)，避免蓄電池過充。
圖3 中Vin+和Vin-連接太陽能電池陣列的輸出，Vout+和Vout-連接直流負載，VB和GND 連接鉛酸蓄電池的正負兩端。
圖3 太陽能控制器主回路電路圖
D1 為“防反充二極管”，只有當太陽能電池方陣輸出電壓高于蓄電池電壓時，D1才能導通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天時不會出現(xiàn)蓄電池向太陽能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護”作用。
D2為“防反接二極管”，當蓄電池極性接反時，D2 導通，使蓄電池通過D2 短路放電，產生很大電流，快速使保險絲F1 燒斷，起到“防蓄電池反接保護”作用。
MOSFET管S2為蓄電池放電開關，在鉛酸蓄電池放電時，從保護蓄電池的角度出發(fā)，當蓄電池電壓小于“過放電壓”時，S2截止，切斷蓄電池和負載的回路，進行“過放電保護”，避免電池放空，損壞蓄電池。當太陽能電池陣列重新供電，只有當蓄電池電壓重新升到浮充電壓時，S2才重新導通，接通負載回路。
需要指出的是，當控制電路切斷負載回路后，控制電路仍然要消耗蓄電池能量，因此控制電路要盡量減少電子元器件以降低功耗。出于此目的，該電路采用PHILIPS 公司的單片機P87LPC767作為CPU。該單片機是20 引腳封裝的單片機，基本結構與51 系列兼容，適合于許多要求高密度、低成本的場合。其內含4KB的OTP程序存儲器和128B 的RAM，并且內置4 路8 位A/D轉換器。尤其是工作在100 kHz耀4 MHz，電源電壓為3.3 V時，其功耗電流僅為0.044耀1.7 mA，非常適合蓄電池供電的系統(tǒng)。
受體積和成本的限制，以單片機為核心的控制電路電源直接通過蓄電池端電壓變換得來，該電路通過圖4 中的LM317 三端可調穩(wěn)壓器變換出單片機的電源電壓，控制電路與主回路共地。
圖4 單片機電源變換電路
LM317 為三端可調正壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓范圍為1.25耀37 V，只需2 個外接電阻即可設置輸出電壓。LM317 的輸出端Vout和調整端adj之間提供1.25 V的基準電壓VREF，輸出電壓滿足式（1）。
由于LM317 的輸入和輸出電壓差為40 V，而對于24 V 的太陽能控制器，太陽能電池陣列的開路電壓有可能達到50 V，為避免瞬間過壓，在LM317 輸入端并接穩(wěn)壓管D13進行保護。
圖5為單片機P87LPC767的管腳連接圖。電路中單片機的主要功能就是測量蓄電池端電壓，進而控制S1和S2 的導通狀況，保證電路的穩(wěn)定運行。由于P87LPC767 自帶8 位AD，單片機又與主回路共地，因此采用直接電阻分壓測量即可，即電路圖5 中的VAD1。
圖5 P87LPC767 管腳連接圖
當該控制器負載為路燈時，應具備光控功能，即有太陽光時，S2截止曰夜晚或陰雨天光線不足時，S2導通，路燈照明。由于光線不足時，太陽能電池陣列的輸出電壓下降顯著，因此可通過對其輸出電壓進行分壓測量（VAD2），判斷光線情況，作為S2導通和截止的一個判斷依據(jù)。
P87LPC767 使用P1.7（Fzs）和P1.6（PWM）作為兩個MOSFET 的柵極控制信號。以S1 的控制為例，當P1.6 輸出高電平時，MOS 管S1 導通，S1 柵極驅動信號vgs1被拉低，S1截止。如圖6 所示。由于MOSFET的柵極驅動電壓不能超過20 V，因此當P1.6 輸出為低電平時，V5 截止，蓄電池電壓經(jīng)R9和R13分壓后產生S1的驅動信號。S1 和S2 在主回路中的連接方法可解決其驅動共地問題。
圖6 MOSFET的驅動電路
圖6 MOSFET的驅動電路，控制器還配置了蓄電池放電容量指示燈，如圖7所示。4 個發(fā)光二極管分別對應蓄電池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767 測量蓄電池端電壓后，根據(jù)其數(shù)值決定4 個發(fā)光二極管的亮滅情況。需要指出的是，當蓄電池充電時，其端電壓與容量沒有直接關系，發(fā)光二極管的指示沒有實際意義，只有當蓄電池放電時，其端電壓可以在一定程度上反映電池容量。
圖7 蓄電池容量指示驅動電路
4 結語
提供了一套24 V/5 A 太陽能控制器電路，其成本低廉且性能穩(wěn)定，具備廣泛推廣的價值。 |
