光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

段宇凡 李少飛 楊昌登 蓋新鵬 閆星源 張航 李松 任守華

摘? 要：針對(duì)自制的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款控制電路，系統(tǒng)包括電壓檢測(cè)、功率檢測(cè)、、遠(yuǎn)程遙控、通信模塊等部分，配合太陽(yáng)能電池板和蓄電池可以實(shí)現(xiàn)在100W功率范圍內(nèi)的不間斷供電，并帶有低電壓報(bào)警等功能。設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)適合于無(wú)人值守環(huán)境下的小功率負(fù)載設(shè)備交、直流供電。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;控制器;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM615? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0036-02

Abstract： A control circuit is designed for the self-made small photovoltaic power generation system， which includes voltage detection， power detection， remote control， communication module and so on. with solar panels and batteries， it can achieve uninterrupted power supply in the power range of 100W， and has the function of low voltage alarm. The designed photovoltaic power generation control system is suitable for AC and DC power supply of low power load equipment in unattended environment.

Keywords： photovoltaic power generation; controller; design

前言

我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)和材料研發(fā)雖然起步稍晚卻后來(lái)居上，到目前為止太陽(yáng)能光伏發(fā)電就在航天、軍工和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)多年的努力，光伏發(fā)電有了相當(dāng)?shù)乃交A(chǔ)。目前光伏發(fā)電控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面已有多種類型產(chǎn)品在流通，包括了各種功率范圍、使用環(huán)境的不同產(chǎn)品，此類產(chǎn)品多數(shù)用于有人值守環(huán)境下，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題多采用人工干預(yù)的方式加以解決。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷拓展，催生了對(duì)無(wú)人值守電源的大量需求，以往多采用蓄電池或簡(jiǎn)單的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)斷電、損壞等現(xiàn)象，針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，研究并設(shè)計(jì)了一套光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器，該控制器經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可以滿足目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)供電的需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由光伏板、云臺(tái)、充電控制器、蓄電池、電源轉(zhuǎn)換模塊、電源輸出組塊、電壓監(jiān)測(cè)與顯示模塊、主控制器、鍵盤(pán)、振動(dòng)傳感器、通信模塊和報(bào)警輸出模塊等部件構(gòu)成。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主控制器采用STC12C516AD單片機(jī)，此型號(hào)單片機(jī)具有三組常用I/O接口，其中P1口為AD功能輸入，采用該型號(hào)單片機(jī)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。表1所示為引腳名稱及功能分配。

2 PCB設(shè)計(jì)

控制器主電路板規(guī)格為150mm*80mm，采用雙層布線工藝設(shè)計(jì)制造，控制板采用12V直流供電，板上安裝有12V轉(zhuǎn)5V的DC-DC電源為主控制芯片供電。PCB布線后板圖如圖2所示，從PCB文件生成的3D仿真圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能介紹

在本設(shè)計(jì)中使用了單片機(jī)和編制專用軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能板的智能控制，通過(guò)充電電壓和電流的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)充、過(guò)放、電子短路、過(guò)載等故障現(xiàn)象的保護(hù)，采用的防反接保護(hù)措施防止使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)負(fù)載造成損壞，蓄電池進(jìn)行充電采取串聯(lián)式PWM充電主電路，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%-6%，增加了用電時(shí)間，同時(shí)具有高精度溫度補(bǔ)償，并能在寒冷、高溫、潮濕環(huán)境運(yùn)行，較為適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供基礎(chǔ)性支持。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了數(shù)字LED顯示裝置，通過(guò)遙控器可完成所有設(shè)置和輸出控制，防止誤操作和非工作性使用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和保密性。系統(tǒng)中可以選擇安裝GPRS通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能供電控制器的遠(yuǎn)程遙控，并配合上位機(jī)軟件進(jìn)行集群控制。設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能控制板實(shí)物如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面監(jiān)控，滿足設(shè)計(jì)需求，通過(guò)組網(wǎng)可達(dá)到集群控制的目的，有利于解決目前邊遠(yuǎn)地區(qū)和無(wú)人值守地區(qū)的小功率供電問(wèn)題，本研究對(duì)于解決光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]竇偉，許洪華，李晶.跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（2）：169-173.

[2]陳維，李戩洪.太陽(yáng)能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003（3）：18-21.

[3]陳成鈞.太陽(yáng)能基礎(chǔ)物理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]盛四清，范林濤，譚曉林，等.計(jì)及氣象條件的光伏板最佳安裝角度計(jì)算[J].陜西電力，2014，42（1）：42-45.

[5]Zekai Sen.太陽(yáng)能基礎(chǔ)理論與建模估算技術(shù)——大氣環(huán)境氣候變化和可再生能源[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.