基于ARM的家庭光伏发电系统的设计

康迪，荆婷婷

(石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035)

基于ARM的家庭光伏发电系统的设计

康迪，荆婷婷

(石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035)

家庭光伏发电系统的设计是普通家庭使用清洁能源的重要研究方向。通过对比分析，设计出一套以基于ARM9的MPPT光伏控制器为核心的家庭光伏发电系统。经过实验的测试，该系统具有高转化率、高可靠性的优点，对于开发家庭光伏发电系统具有一定的推广作用。

清洁能源；光伏发电；嵌入式系统

能源是人们生存发展必不可少的因素。但是随着工业化的进程，人们现在主要使用的石油资源已经逐渐枯竭。虽然我们花费了大量的金钱和精力在地球的每个角落寻找，但是已探明的化石资源仅仅能够维持人们使用不足百年。百年之后我们的工业化进程不能终止，那么探索新能源就成为如今最热门的话题之一。

现在人们主要使用的新能源有太阳能、风能、核能等，其中风能的开发地域限制很大，核能的开发技术成本很高并且还有潜在的核泄漏污染。通过比较，太阳能就成了最“廉价”的新能源。太阳每分钟照射地球的能量相当于4亿吨标准煤产生的热量，并且在人们可以预计的未来，太阳能不但是没有污染的能源，而且还是取之不尽用之不竭的宝藏。早在1997年，美国便率先提出了“百万屋顶”的计划，大力发展家庭光伏产业。我国也针对国家环境的特点，对西部地区同样展开类似的计划。近年来由于供电需求越来越大，国家对于火电等消耗型发电的限制，“屋顶计划”的发起者，上海交通大学光伏发电研究所的崔教授发出呼吁：不能浪费头顶的阳光。本设计便是针对普通家庭的用电需求以及经济成本的考虑，设计出的一套基于ARM的家庭光伏发电系统。

1 设计的整体方案及电路原理

本设计一方面考虑到了家庭用电的消耗随着季节变化会产生一定的波动性以及连续阴雨天气等不确定因素对光伏发电的影响，设计了装有售电电表和购电电表双电表模式的设计模型。主要的组成部分包括：太阳电池矩阵、基于ARM9的MPPT控制器、光伏发电系统专用的胶体蓄电池、逆变器以及售电电表和购电电表。基本结构图如图1所示。

图1 家庭光伏系统整体设计

基于太阳能光伏发电的基本原理为[1-2]：在光照强的时候，太阳能通过太阳电池矩阵转换成电能，通过控制器直接给直流负载供电并将剩余电能存储起来，同时还可以通过逆变器转换直流电为交流电给交流负载供电。假如电量仍旧有剩余则通过售电电表把自家光伏产电并入电网，获得一定收入。在光照弱或者夜晚的时候由蓄电池进行家庭供电，如果遇到连续的阴雨天气或者其他原因导致的家庭电量不足还能够通过购电电表从电网购电，以保证正常用电。

2 光伏发电系统元件设计方案

本设计所涉及的元件主要有太阳电池矩阵、控制器、蓄电池和逆变器。下面将对元件的选择及设计做简要说明。

2.1 太阳电池矩阵

太阳电池是光伏发电系统中把太阳能转换成电能的关键部件，本设计采用布雷科曼品牌单晶硅太阳电池板。该电池板的转换率能够达到17.5%，规格为540 mm×1 200 mm，工作电压19.30 V，输出电压为标准12 V，工作电流5.18 A，最大输出功率为100 Wp，完全符合家庭光伏发电的实际需求。太阳电池的能效电路图如图2所示。

图2 太阳电池能效电路图

由于所采用的蓄电池的输入电压为12 V，故在布置太阳电池矩阵的时候采用单片串联成单组、多组并联的设计。由调查分析可得到普通家庭负载日均消耗量在400 Ah，均日照峰值实数为4.1 h。为保证大多数家庭的正常使用，本设计采用450 Ah的消耗量，4 h的峰值日照数，由公式：

式中：Np为串联电池数；Imp为正常工作下的电流；Hp为峰值日照数；0.8为功率输出比；QL为消耗量。代入系数可得到并联数Np为27。所以本设计采用27片太阳电池板并联的方式，最大输出功率为2 700 W。

2.2 蓄电池

蓄电池在系统中扮演着能量存储的重要角色。一个安全可靠、容量大的蓄电池可以保证整个系统正常流畅地运行。本设计采用光伏发电系统专用的胶体铅酸电池。专用的胶体铅酸电池环境适应性强，能够完全适应现在普通情况下的任何环境。在槽体之间和及群组周围有大量的凝胶电解质，有较好的散热性和较大的热容量。并且该电池充电过程中无酸雾，不会对环境造成污染。

综合经济以及实际效果设计，本设计的蓄电池依旧采用单组电池并联的模式。对于蓄电池的总容量可以通过如下公式得到：

式中：QL为日均耗电量；A为系统的安全系数；Dt为连续阴雨的天数；T0为低温修正系数，DOD为放电深度。

假设连续阴雨的天数为4天，安全系数取1.2，低温修正系数取1.1，放电深度为0.8。那么可以得到蓄电池的总容量C的值是2 970 Ah。由公式：

可以得到蓄电池的并联块数为11块，即蓄电池组采用11块胶体铅酸电池进行并联，从而可以基本满足普通家庭的正常使用。

2.3 逆变器

由于太阳电池板所获得的电为直流电，并且蓄电池工作时放出的也是直流电，但是我们普通的家用电器多为220 V的交流电，这样就需要在进入负载之前，尤其是进入交流负载之前需要添加一个直流-交流逆变器以保证正常的使用。

现在常见的逆变器主要有三种：无变压器型、高频变压器型和低频变压器型。由于本设计针对的客户群为普通家用，没有必要采用高技术指标的变压器型，选择转化高效的无变压器型符合效益与经济的双重标准。

2.4 控制器

控制器的选择标准是整个光伏发电系统成败的关键，选择合适的控制器可以增加电量的转换率、提高系统的使用寿命从而获得最大经济效益。本设计采用基于ARM9的MPPT光伏控制器实现对整个系统的管理控制工作。详细介绍见文章第三部分。

3 核心控制器的硬件电路设计

本设计采用以ARM920T为核心的S3C2400芯片。该芯片是一个嵌入式应用的集成系统，本设计主要使用S3C2400芯片的PWM定时器、片内10位AD转换器和GPIO端口。其所具有的主要特征为：16/32位RISC体系构架，具有ARM920T的强大指令集系统；实现了AMBA和MMU总线；支持Linux系统设计。

3.1 太阳电池板输出检测控制电路

由整体结构图我们可以知道，太阳电池矩阵在完成太阳能到电能的转换之后首先进入核心控制器。由于S3C2400芯片AD转换的电压不能超过3.3 V，但是太阳电池板的正常输出电压为12 V，最大峰值电压能够达到19.3 V。这样就需要分压电路进行分压处理才能实现控制，本设计综合考虑串联电阻对于主电路的影响，故采用大电阻进行并联。使用的电阻分别为60和9.3 kΩ，同时在输入端9.3 kΩ电阻上并联一个0.1 μF的电容以消除噪声。具体的电路图如图3所示。

图3 太阳电池板输出电压采集电路

太阳电池板输出的电流采样电路的原理是将电流值转换成电压值进行分析，采集电阻两端的压降，再通过欧姆定律进行计算，实现对太阳电池板输出电流的检测。本着检测控制电路对主电路最低影响的原则，采用毫欧级别的电阻进行压降检测。由于压降幅度非常小，故添加一个调理电路对压降值进行放大处理。具体的电路图如图4所示。

图4 太阳电池板电流采集放大电路

3.2 蓄电池电流和电压采集电路

蓄电池的电压采集电路与太阳电池板的电压采集电路类似，在此不再重复介绍。

蓄电池的电流采集电路与太阳电池板的电流采集电路类似，同样不再进行重复介绍。

3.3 反接保护电路

为了防止太阳电池板和蓄电池反接造成的损害，在控制器中设置了太阳电池板和蓄电池反接保护电路，主要由反接二极管、LED显示灯和保险丝组成。由于太阳电池板的反接保护电路和蓄电池的反接保护电路类似，故只介绍太阳电池板的反接保护电路。具体实现如图5所示。

图5 反接保护电路

4 结语

本设计实现了基于ARM的家庭光伏发电系统的基本功能，并且具有电网售电和电网购电的功能设计，可以完全实现普通家庭太阳能的正常使用，并且符合现在整个国家甚至全球都在提及的减少温室气体排放的理念。本设计适用于在蒙古草原以及祖国西部这些地广人稀的地方，既减轻了国家对于边陲电网建设的压力，又在一定程度上增加了使用者的经济收入。

[1]成思源，周金平.技术创新方法[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]美国国际太阳能协会.太阳能光伏发电设计与安装指南[M].修订版.李雅琪，译.长沙：湖南科学技术出版社，2013.

Design of household photovoltaic power generation system based on ARM

KANG Di,JING Ting-ting
(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

The design of household photovoltaic power generation system is an important research direction of clean energy in ordinary family use.Through comparison and analysis,a set of household photovoltaic power generation system was designed with ARM9-based MPPT photovoltaic controller as the core.After experimental test,the system has the advantages of high conversion rate and high reliability.It has a certain promotion effect on developing household photovoltaic power generation system.

clear energy;photovoltaic power generation;ARM

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1683-03

2016-02-18

康迪(1981—)，女，河北省人，讲师，本科，主要研究方向为电子信息技术。