太阳能供电系统的原理分析及设计

哈尔滨理工大学荣成学院 王 浩

太阳能供电系统的原理分析及设计

哈尔滨理工大学荣成学院 王 浩

本文首先对太阳能供电系统的工作原理及其组成进行了分析,然后对太阳能供电系统设计方案分别从硬件设计和软件设计两个方面进行阐述。

太阳能;供电系统;原理;设计

1.太阳能供电系统的工作原理及其组成

太阳能供电系统指的是通过太阳能电池所具有的光伏效应,直接把太阳能的光辐射能量转变为电能的系统,太阳能电池板、控制器、逆变器和蓄电池等共同组成了一套常用的太阳能发电系统。

(1)太阳能电池板:太阳能电池板的作用是直接把太阳光辐射能转换成电能,既能够为其他部件提供负载能量,也可以在蓄电池里将电能存储起来。

(2)控制器:控制器可以给蓄电池提供适宜的充电电压和电流,可以给蓄电池充电,具有安全快速的特点,在减少充电过程中功耗的同时,还可以制止过度充电和过度放电现象的发生。

(3)逆变器:逆变器的主要作用就是将直流电转变成交流电,具体是指通过逆变过程把蓄电池提供的或太阳能电池板所带的低压直流电转变成供给交流负载使用的交流电,倘若满足电网对交流电的要求,则可以将其并入到电网中。

(4)蓄电池:蓄电池的功能是转换太阳能电池板中的电能为化学能,并存储起来供负载使用。为了避免阴雨天气以及夜间情况下太阳能光辐射能较小使得负载无法发挥作用的局面,可以在太阳光充足时将电能储存在蓄电池中,这样蓄电池也可以作为电源来提供给负载使用。

2.太阳能供电系统设计方案

2.1 太阳能供电系统硬件设计

在这个系统中,系统一般由两大部分组成,其中有有主控制器和工作模块。工作模块有三个,一个是数据采集模块,还有人机交互模块、充放电模块。在这个系统中的数据采集模块能够采集到系统中各个部位的工作状态数据。在使用人机交互模块后,系统的运行状态和相关数据被显示出来,从而为太阳能供电系统服务。

图1 太阳能供电系统框图

在太阳能供电系统中,充电和放电过程实现了能量的传递。所示,该系统的硬件设计框图可以反映出该系统的充放电过程。在图2中红色箭头代表能量传递,粗黑色箭头代表控制线,蓝色箭头代表数据采集线,双箭头代笔控制线+数据采集线。

图2 太阳能供电系统平台的硬件设计框图

充电时,借助太阳能电池板,可把太阳能的光能转化为电能,接着,在到达串并联开关后,可利用BUCK转换电路对电量进行调节和控制,最后把电能导入蓄电池中,以便后续备用。放电时,蓄电池会将输出的电能提供给负载利用。在控制的全部环节中,系统借助每一个模块采集到的各种数据之后,就能为系统控制提供更多依据。在这两个过程中,起到主导控制作用的部件是单片机,该单片机可作为主控制器的芯片。人机交互的组成部件一般包括两个,一个是液晶,另外一个就是上位机,其中液晶能随时随刻实现现场监测,上位机可以在室内对系统进行控制以及存储一些数据。

2.2 太阳能供电系统软件设计

主程序的主要工作是完成系统的初始化,环境参数以及各部分数据的采集,并完成电池板串并联控制、数据显示和状态控制等操作。

2.2.1 温湿度采集子程序

温湿度传感器的实质是数字传感器芯片,在本文所述系统中,可使用SHT11传感器。该传感器经过初始化阶段之后,可对采集温湿度数据的命令进行查询。主控芯片可以把数据传输的启动显示出来,具体途径就是使用"启动传输"时序来实现。主控芯片跟温湿度传感器之间的信息通讯的媒介是时钟线和数据线。在每一次数据传输启动时序结束之后,务必在系统中设置检测的数据以及数据结果的位数。在这个系统中,要对温度、湿度选取的测量精度进行确定,前者为14位,后者为12位。最后,通过SHT11实现数字量输出,该数字量要通过线型补偿和温度补偿这个步骤之后才能获取到最终相对准确的测量数值。

2.2.2 光照强度采集子程序

本程序采用的芯片是光频转换芯片TSL230,该芯片输出是一连串的方波,来采集频率信号。人们希望通过简单的方式使电池更容易达到最大功率值处,在降低成本的同时又实现了提高电池充电电流,从而使电池充电效率更高。如果能通过太阳能电池为都市中的多种公用照明设备提供电源,那么,其较高的性价比必然会提高市场竞争力。

3.小结

在本文的太阳能供电系统中,电池在工作的过程中有一个瓶颈:由于电池处于最大功率时,电流不是最大的,怎样以低成本来使太阳能电池工作功率是最大的时候来提高蓄电池的充电电流,并且提升蓄电池接受电量的效率,进一步减少成本的之处。这是未来需要改进和努力的方向。如果能将该系统大范围应用于城市道路路灯、园林景观灯等场合,那么该系统强大的市场竞争力是毋庸置疑的。

[1]胡杰,吴新义,张志超等。基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计[J]。现代电子技术,2010,329(18):200-204.

[2]韩群勇。太阳能家用照明系统控制器的设计[D]福建:福建农业大学,2009.