可折疊便攜式微型太陽能光伏電站控制系統(tǒng)設計研究

劉海波

摘 要：本文主要是基于AVR單片機為基礎，設計出了全數(shù)字化便攜式太陽能光伏電站控制系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了太陽能電池的可折疊安裝，重點介紹的是系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構成，重點分析了該系統(tǒng)構成中的器件選型，同時分析了軟件構成方式，充分保證了該系統(tǒng)具有較高的使用性價比。

關鍵詞：便攜式；太陽能；控制系統(tǒng)

伴隨當前世界上各個國家的經(jīng)濟發(fā)展速度不斷提升，在能源的使用方面日益緊張，同時在電力、煤炭以及石油等不可再生資源方面非常緊缺，能源大量消耗方面的問題，已經(jīng)成為當前限制我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。因此，針對這一問題我國在不斷的開發(fā)可再生資源方面做出了大量工作，其中包含了對風能、太陽能、地熱能以及潮汐能等方面，并且在太陽能的有效運用與發(fā)展上發(fā)展速度更加明顯，其中世界上已經(jīng)有很多國家開始實施“陽光計劃”，其中包含了美國的“光伏建筑計劃”和歐洲國家實施的“百萬屋頂光伏計劃”等，我國在針對太陽能光伏技術的研究方面，相比于西方一些發(fā)達國家來講還是處于起步階段，隨著我國在光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中，越來越重視光伏發(fā)電的無污染和無噪音等方面的特性，受到了人們廣泛的關注，并且在便攜式太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮出了明顯效果。

1.微型太陽能光伏電站控制系統(tǒng)分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)所具備的獨立供電和并網(wǎng)兩種形式，其中便攜式太陽能光伏電站就是第一種，該系統(tǒng)不直接和電網(wǎng)進行連接，通常運用的是蓄電池來作為儲能的主要設備，在白天或者是晴天的時候，可以將所搜集的太陽能儲存起來，在夜間或者是陰雨天氣，再講起功率進行相應的調(diào)整，這種光伏發(fā)電系統(tǒng)的運用優(yōu)勢在于為海島區(qū)域、游牧區(qū)域以及人們在外出旅行過程中提供應急備用電能，并且本身的體積比較小，重量相對比較輕，在隨身攜帶過程中更加的方便。

可折疊便攜式太陽能發(fā)電站控制系統(tǒng)，是運用光伏電池發(fā)電發(fā)展，直接將光能轉(zhuǎn)化成為電能的一種系統(tǒng)裝置。其控制系統(tǒng)主要原理為：在光伏電池的電壓值超過了蓄電池電壓值的狀況下，控制器當中運用太陽能為蓄電池進行充電工作，同時還實現(xiàn)了有效的負載供電方式。在充電工作當中，系統(tǒng)對太陽能列陣、蓄電池以及系統(tǒng)當中的負載實施有效監(jiān)控和管理。比如：為了有效避免蓄電池本身出現(xiàn)永久損傷情況，在系統(tǒng)設計過程當中設計了相應的防過充與防反充的保護措施。同時在光伏電池電壓比較低的時候，其中控制器在切斷電路的過程中，由于蓄電池可能會直接為負載進行供電，并且在蓄電池電壓值比較低的時候，在控制器中切斷電源負載來防止蓄電池產(chǎn)生電量流失的問題。

2.系統(tǒng)硬件設計方法

2.1太陽能光伏電池組

光伏電池組主要是通過光伏電能效應，或者是在光化效應的前提下，直接將光能轉(zhuǎn)化成為電能裝置的形勢，通常狀況下可以通過單晶硅、多晶硅或者是非晶硅化合物等材料所構成，在該裝置當中，太陽能電池板的參數(shù)選擇為：標準功率0.3W，最大電壓3.72V，最大電流80mA，電池板尺寸為（60×60）mm。在充分考慮到太陽能電池與蓄電池之間可以配套使用，在系統(tǒng)中選擇太陽能電池輸出的電壓至少是15V～18V。當前我國普遍使用的太陽能電池板，基本上都是串聯(lián)/并聯(lián)的連接方式，并且還要保證電壓在15V以上，輸出最大電流和標準功率需要依照產(chǎn)品系列的型號來進行規(guī)定。

2.2電源和充電保護電路設計

在便攜式太陽能光伏電站的控制系統(tǒng)當中，電源通過太陽能電池與蓄電池來實現(xiàn)直接的電源提供，同時AVR單片機在工作過程當中的電壓值為5V，電源電路設計如圖1所示，因為受到太陽能光照強度不同，蓄電池電壓很容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，這時候必須要通過LM7805的穩(wěn)壓之后，再給供電AVR單片機進行供電。

2.3系統(tǒng)中單片機控制系統(tǒng)設計

便攜式太陽能光伏電站，在系統(tǒng)控制系統(tǒng)當中使用的是AT十六位單片機作為系統(tǒng)中的控制核心，該芯片在對太陽能電池板、蓄電池電壓中的參數(shù)實施監(jiān)測的過程中，對其中的自動控制系統(tǒng)具有一定的保護功能。在受到充分的太陽光照和輻射的時候，該控制系統(tǒng)中運用太陽能光伏電池來對其中的負載進行供電，同時還需要將其中多余的電能儲存到蓄電池當中，并且實現(xiàn)實時性的電路負載控制，保證太陽能電池板的持續(xù)穩(wěn)定工作。

2.4顯示系統(tǒng)設計

在該系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)采用的是數(shù)碼管和LED發(fā)光二極管相結合的形式，其中4個數(shù)碼管可以顯示出當前電池板的電壓值大小，同時兩個LED分別可以顯示出系統(tǒng)是否處于一種充電的狀態(tài)。因為AT16的I/O端口比較多，因此是不需要再增加其他的譯碼芯片，同時將PB口的八位數(shù)據(jù)線直接作為數(shù)碼管來進行選擇，將其中的PA2～PA5作為備選位，同時用PA6和PA7來重點控制兩個發(fā)光二極管，數(shù)碼管所選用的是動態(tài)掃描的處理方式，在該系統(tǒng)當中還可以將數(shù)碼管更換成為液晶顯示器，這樣可以更加清晰明了的來進行豐富的信息顯示。

2.5DC/AC逆變電路設計方式

從實用的角度來分析，其中在很多場合當中都需要發(fā)電站提供出220V的交變電流，因為太陽能本身電池輸出都是直流電的方式，為了可以向220V電源供電的交流電器進行電能供應，需要將光伏電池發(fā)電系統(tǒng)中的直流電能轉(zhuǎn)化成為交流電能，因此，在該系統(tǒng)當中需要具備DC/AC逆變功能，其中常見的逆變器的類型有開關逆變器和推挽型逆變器等，其中開關逆變器的功率開關在期間的固定頻率下來進行工作，并且還需要保持開關的頻率在恒定的狀態(tài)下，通過改變接通到內(nèi)部時間長短，來有效的調(diào)節(jié)線路負載中的電壓大小，這種方式又稱之為脈寬調(diào)節(jié)法。

2.6監(jiān)控模塊設計

在AT16的單片機內(nèi)部帶有8路A/D轉(zhuǎn)換器，在本系統(tǒng)當中選用的是其中兩個線路，第一是對太陽能光伏電池列來實施采樣工作，白天太陽能光伏電池在正常工作的情況下，電壓保持在15V以上；在晚上或者陰天的時候，太陽能光伏電池的輸出電壓相對較低，單片機通過A/D采樣之后與電門之間的電壓限制比較低，要是低于了電壓的限制，則需要切斷太陽能光伏電池和蓄電池中的充電回路，并且要斷開充電狀態(tài)燈。第二是在對光伏蓄電池實施電壓采樣的過程中，在蓄電池電壓比較低的時候，單片機內(nèi)部蓄電池的電壓過低，系統(tǒng)中指示燈和電路切斷輸出回路，通過這種方式來防止太陽能蓄電池的電量超量放出。

3.結束語

通過本文對可折疊便攜式微型太陽能光伏電站控制系統(tǒng)設計和分析，從中可以總結出，在當前世界能源不斷減少的情況下，世界上很多國家在對能源資源的使用和開發(fā)的方式存在不合理的情況，造成了大量資源被浪費。對太陽能光伏電池的有效運用，在很大程度上緩解了這方面的問題，實現(xiàn)了對清潔能源的高效化運用。

參考文獻

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（作者單位：保定天威英利新能源有限公司）