基于光伏发电的农村灌溉木耳系统的设计与实现

2015-02-04唐雪刘伟张锷

电子技术与软件工程 2014年22期

唐雪　刘伟　张锷

在能源日益枯竭的今天，光伏产业的发展越来越得到全世界的重视，把光伏产业带进新农村也是我国投资的重点。本文把光伏发电应用于某农村灌木耳产业，使灌木耳产业成为节能产业，再利用单片机软件编程进行智能控制，实现自动化灌溉。

【关键词】光伏逆变器 STC51单片机

随着农业科学技术与信息技术的不断发展，具有规模化机械化的大面积示范区域木耳养殖成为农民致富途径之一，同时大规模的木耳养殖也衍生出相应技术问题，大面积集中灌溉时农村基础电网电力负载差，严重影响农民经济效益和生活质量，甚至引起火灾等不安因素。由于北方农作物生长周期短，重新铺设电网成本高、操作复杂。所以急需寻找一种容易安装成本低稳定性好的新的能源灌溉手段，本文针对北方气候，以木耳生长周期灌溉水量为基础，为此选择了太阳能为灌溉系统提供能源。本系统具有成本低，安装方便，稳定性强，易于扩展等优点，满足农民种植需要。

1 光伏灌溉系统概述

光伏灌溉系统是由太阳能电池板及充放电控制器、蓄电池、1000瓦水泵、逆变器、控制系统组成。系统的工作过程为太阳能转化为电能，再由电能转化为机械能。根据计算单位面积单位时间内木耳灌溉所需要的能量来确定本系统选择器件的主要参数。

太阳能电池板的作用是将太阳能转化电能，太阳能电池板分为多晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板。根据木耳灌溉面积及周期，计算得出每天需要能量，再根据太阳能电池板的寿命周期，尺寸，能量转化率，选择两块250W的单晶硅的太阳能电池板。

太阳能充放电控制器是协调太阳能电池板、蓄电池、负载工作的重要部件，主要为更高效率的太阳能充电，以及对蓄电池的过充过放保护。由于控制器24小时工作，为此选择低功耗的控制器是必要的。

蓄电池和水泵选择24V100AH的胶体电池和1000W 扬程4.5m的水泵。逆变器是将24V蓄电池的直流电转化为交流220V，供给水泵使用。控制系统是根据需要来智能控制水泵的通电时间。

2 逆变器系统

逆变电源的主要作用是为负载提供高质量电能，如何降低输出电压中的谐波含量是研制逆变电源时所考虑的一个重要问题。在逆变电源中，负载特性在很大程度上决定了电源输出电压的调制方式。为了获得比较理想的正弦波输出，逆变器通常采用正弦脉宽调制方式（SPWM）。由于本逆变器的负载为水泵，是感性负载，为此本逆变电路利用EGS002驱动模块产生四路带有死区时间的SPWM控制信号分别控制构成H桥电路上的四个N沟道场效应管，从而输出纯正弦波的信号。系统图如图1所示。

3 逆变器驱动信号结构

由EG8010产生四路SPWM为本系统的驱动信号，SPWM为正弦波脉宽调制波形就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。它的原理是把正弦波分成等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值是不变的，各脉冲的中点与每一等分的中点重合。这样，由若干个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形称作SPWM波。SPWM技术能够极有效地减少输出波形的谐波含量，它不仅动态响应快，而且在频率、效率等诸多方面有着明显的优点，所以被广泛的应用在逆变电源的各个部分进行谐波的消除和电压的调节。由于产生的四路SPWM信号驱动能力不足以直接驱动MOS管，为此选用了IRF2110S驱动芯片进行驱动。IRF2110S具有2A的驱动能力，并且还具有隔离强弱信号的能力，它大大提高了电路的稳定性。结构图如图2所示。

4 逆变器保护电路

逆变器保护包括过压和欠压保护、过流保护、过温保护。过压保护是防止输出电压过高导致用电器负载烧毁，欠压保护是防止输出电压过低导致用电器不能正常工作，EG80101芯片内部设定过压保护阈值为3.15V，欠压保护阈值2.75V，延时采样时间为300ms，当外部发生过压或欠压保护时，EG8010 芯片控制SPWM模块输出低电平，关闭所有功率MOSFET管，此时输出低电平，延时8S后SPWM模块输出高电平重新打开功率 MOSFET管，再判断此时输出电压情况，若在100ms内仍然欠压或过压，EG8010芯片再次控制SPWMOUT输出低电平关闭MOSEFT，如果欠压和过压次数累积到5次仍然出现欠压或过压事件，则EG8010将彻底关断 SPWM模块的输出，要想正常工作需要系统重新上电。

EG8010管脚（14）是测量逆变器输出电流大小的管脚，电流流经采样电阻会产生采样电压，芯片内部基准电压设定0.5v过流检测延时时间为 600mS，若出现过流事件，EG8010会使SPWM模块输出低电平。从而使负载输出低电平，保护功率 MOSFET 和负载。

如图3所示 NTC 热敏电阻 RT1 和测量电阻 RF1 组成一个简单的分压电路，能进行过温保护，分压值随着温度值变化而变化数值，这个电压的大小将反映出 NTC 电阻的大小从而得到相应的温度值。NTC 选用 25℃对应阻值 10K（B 常数值为 3380）的热敏电阻，TFB引脚的过温电压设定在 4.3V，当发生过温保护时，EG8010 根据引脚（9）PWMTYP 的设置状态将输出 SPWMOUT1～SPWMOUT4 到“0”。从而保护功率 MOSFET 和负载。

5 51单片机控制系统

本系统需要自动控制灌溉时间和灌溉时间间隔，并且人为可控制灌溉时间与灌溉间隔。为此设计了基于51单片机的控制系统如图4所示：

按键S1、S2、S3是设定灌溉时间与灌溉时间间隔的，单片机内部开始定时，当需要灌溉时单片机P13脚输出高电平控制水泵转动，高电平时间由灌溉时间控制，当需要人为的控制灌溉时间控制开关K2即可。

6 结束语

通过对尚志市苇河镇木耳养殖基地现场测试分析，本套系统完全满足木耳生长环境下使用，不仅节约了电能，而且科学的对木耳进行了灌溉。提高了木耳产量，进而提高了农民的效益。

（通讯作者：张锷，教授。）

参考文献

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[2]李昊华.太阳能发电系统正弦波逆变电源的研制[D].河北工业大学，2007（11）.

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