一种新型太阳能供电照明系统的设计

汪义旺，曹 刚，鲁振京

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

目前我国的高山、乡村一些偏远地区的用电设备陈旧落后，尤其是西部地区，太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源.21世纪，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，尤其在我国西部广袤严寒、地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作用.我国西部地区是世界上最大、地势较高的自然地理单元，也是世界上太阳能资源最丰富的地区之一.特别是西藏地区，空气稀薄，透明度高，年日照时间长达1 600～3400 h，每天日照时间6 h以上，年平均日照天数在275～330 d之间，辐射强度大，年均辐射总量7 000 MT/m2，地域呈东向西递增分布，年变化呈峰型，资源优势得天独厚，应用前景十分广阔[1].设计的一种新型太阳能供电系统，通过太阳电池板将太阳能转化为电能，通过太阳能控制器对其控制，满足用电需求.系统中控制器主要包括太阳能智能自动追踪控制器、蓄电池充放电管理控制器等部分组成，采用高性能单机片为控制核心，具有控制灵活、成本低、数字化控制等优点，开发的系统具有较好的创新性，绿色环保，低碳节能，实际推广利用价值高，具有广阔的市场前景.

1 系统工作原理及组成

太阳能光伏发电照明系统[2-4]主要由太阳能电池、储能蓄电池、光源以及控制器等组成.控制器主要完成太阳电池板的自动跟踪控制、蓄电池充放电管理以及其他的控制保护功能等.该系统组成框图如图1所示.

图1 太阳能光伏供电照明系统的组成

1.1 太阳能电池板及跟踪系统

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部件，其作用是将太阳的辐射能转换为电能.太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本.太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置.其工作原理是太阳光照在半导体p-n结上， 形成新的空穴—电子对， 在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区， 接通电路后就形成电流，即把光能转化为电能，供负载使用或储存于蓄电池内做备用电源.其基本种类有单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池等.目前国内外市场上晶体硅太阳电池所占的比例很大，约占市场份额的90%以上.单晶硅太阳电池因转换效率高，所以发展速度较快.但其制造工艺复杂，需要消耗大量资源，因此有成本高、能源回收周期长的缺点.非晶硅太阳能电池生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害.多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，但性能价格比高.目前的硅太阳能电池市场以多晶硅太阳能电池为主导.本设计选择了多晶硅太阳能电池，其具体参数如表1所示.

表1 太阳能电池参数

常规的固定式太阳能电池板发电系统存在效率低、环境适应性差等缺点.为进一步提高太阳能的利用率，可采用自动追踪太阳能系统提高光伏发电的效率，采用单轴光伏发电追踪系统可提高20%～30%的光伏发电转换效率.本设计采用了单轴跟踪系统，可自动在东西方向追踪太阳，进一步提高光电转换效率.所设计的太阳光自动追踪系统框图如图2所示.

追踪系统以MSP430F4538单片机为控制核心，通过检测传感器的光照采样输入，作出判断控制电机的正反转，从而控制电池板自动跟踪太阳光，使太阳光始终垂直照射于太阳能电池板，保持最大效率的光电转换.

图2 太阳光自动追踪系统

1.2 蓄电池

蓄电池也是系统的重要组成部分， 常用的蓄电池一般有3种:普通铅酸蓄电池;免维护铅酸蓄电池;碱性镍锡蓄电池.普通铅酸蓄电池由于需要经常维护且环境污染较大，主要适用于有维护能力或低档场合使用.碱性镍锡蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但其价格较高.根据性价比及产品对环境的影响等因素，选择免维护铅酸蓄电池. 因其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点， 很适合用于性能可靠的太阳能电源系统[5].

太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池.不仅要完成白天的储能功能，还要在夜间向负载供电.要求其容量比负载所需的电量大得多，且容量与环境温度、放电电流有关.考虑到太阳能照明系统的特殊性，要求蓄电池工作寿命长且维护简单.尽管20多年前诞生的阀控式密封铅酸蓄电池在蓄电池领域占据卓越的地位，但同样有很多限制，比如重量大、低能量体重比等.随之而来的许多研究把重点放在其他替代的电池系统，比如铿离子电池、金属氧化物镍电池等.这些新的材料同样有自身内在的限制，包括原材料的成本和不稳定性，快速自放电，金属材料毒性和循环利用问题，而铅酸蓄电池的循环利用率基本超过了95%.本设计选用12 V/15 Ah的铅酸免维护蓄电池.

1.3 充放电电路及控制器

充放电电路及控制器[6]是太阳能发电系统的最重要控制中心，控制整个太阳能发电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用.根据太阳能光电板和蓄电池的特性，对其进行充放电控制.为了延长蓄电池的使用寿命，必须对充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电.同时，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些.对于太阳能灯具的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败.充放电电路必须实现以下功能:最大功率点追踪，常规的将太阳能电池直接通过防反充二极管对蓄电池充电，电路往往会将太阳能电池的输出电压嵌位在蓄电池电压上，这也就限定了太阳能电池的输出功率，造成了能量的浪费，因此必须对太阳能电池的输出电压做必要的控制，使得其输出电压在合适值，而使此时输出在最大功率值附近，即太阳能电池的最大功率点追踪(MPPT).本设计的充放电电路及控制器原理图如图3所示.

图3 充放电电路及控制器框图

由AT89S2051单片机实现MPPT及保护功能等，由MC34063实现DC/DC变换器控制功能，MC34063[7]是一块单片 DC/DC变换控制电路，内含直流到直流变换器所要求的主要功能.这些功能有:带有温度补偿的基准电压源、比较器、带激励电流限制的占空比可控振荡器、驱动器和大电流输出开关等.该电路是专为降压、升压和倒相应用所设计的，应用时外围元器件少.其要求为:1)3～40 V输入工作电压;2)低备用电流;3)电流限止;4)输出开关电流1.5 A; 5)100 kHz工作频率;6)基准精度 2% 方框图和引出端功能.其内部结构如图4所示.

图4 MC34063结构原理图

2 系统测试

根据上述设计方案，设计了新型太阳能供电照明系统，系统样机如图5所示.对设计的系统进行了测试，各项测试结果良好，具体测试数据如下:1) 电池板开路电压为18 V，输出电流100～1 500 mA;2)充电电路输入电压13.7 V;3)蓄电池输出电压12 V.

3 结 论

本文设计了一种新型太阳能供电照明系统，对太阳能电池、蓄电池和控制电路等分别进行了设计,最后给出了所设计系统的测试结果.从实测及运行结果看，该系统设计方案具有控制简单、运行可靠、实用性强等优点.

图5 系统样机

[1] 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等. 太阳能光伏发电及其应用[M]. 北京:科学出版社,2005:1-9.

[2] 艾叶,刘廷章,王世松. 独立式LED太阳能光伏照明系统的设计[J]. 电力电子技术,2010,44(2):18-19.

[3] 王厦楠. 独立光伏发电系统及其MPPT的研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2008.

[4] 钟承尧,严世胜. 一种新型家用光伏供电系统[J]. 可再生能源,2009,27(6):78-80.

[5] 张磊,魏晓斌,张光. 阀控式密封铅酸蓄电池的容量与温度关系分析[J]. 内燃机车,2007(9):19-20.

[6] 张艳红,张崇巍,张兴,等. 户用型太阳能充放电控制器的设计[J]. 能源技术,2006,27(3):111-113.

[7] 管小明,李跃忠,王晓娟. 基于MC34063 的便携式仪器电源电路设计[J]. 东华理工大学学报:自然科学版,2010,33(1):97-100.