可折叠便携式微型太阳能光伏电站控制系统设计

· 测试与控制 ·收稿日期 ： 200 8－ 11－ 04基金项目 ： 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目 （ 166201070010） ；南京工程学院大学生科技创新项目 （ NA200705002）作者简介 ： 徐开芸 （ 1967- ）， 女 ， 高级实验师 。 主要研究领域 ： 机器人技术 、 计算机控制及自动化装置等 。可折叠便携式微型太阳能光伏电站控制系统设计徐开芸 ， 汪木兰 ， 邵宇峰 ， 邓 乐（ 南京工程学院 自动化学院 ， 江苏 南京 211167）0 引言当今世界能源日益紧张 ， 电力 、 煤炭 、 石油等不可再生能源频频告急 ， 能源问题逐渐成为制约国际社会经济发展的瓶颈 。 因此 ， 世界各国都在大力开发可再生能源 ， 例如风能 、 太阳能 、 水能 、 生物质能 、 地热能和海洋能等 。 其中太阳能的有效利用和发展最为迅速 ， 越来越多的国家开始实行 “ 阳光计划 ”， 例如美国的 “ 光伏建筑计划 ”、 欧洲的 “ 百万屋顶光伏计划 ” 以及日本的“ 朝日计划 ” 等 。 我国对太阳能光伏技术的研究始于 20世纪 70 年代 ， 随后国内光伏产业迅速发展 ， 其中的光伏发电技术具有无污染 、 无噪音等优点 ， 越来越受到关注 ， 在未来的供电系统中将占有重要地位 [1]。 光伏发电系统具有独立供电系统和并网系统两种 ， 便携式微型太阳能光伏电站属于前者 ， 它不与电网相连 ， 一般使用蓄电池作为储能设备 ， 白天或晴天将太阳能电池阵列输出的电 能储 存 起 来 ， 夜 间 或 阴 雨 天再 向 小 功 率 负 载 提 供 电能 。 其最大优点是能够给海岛区域 、 游牧地区 、 野外作业 、 外出旅行等人员提供应急电能 ， 并且体积小 、 重量轻 、 携带方便 。1 便携式太阳能光伏电站控制系统本文介绍的可折叠便携式太阳能电站控制系统是利用光伏电池直接把光能转化为电能的一种控制装置 。 其工作原理是 ： 当光伏电池电压值大于蓄电池电压值时 ,控制器利用太阳能给蓄电池进行充电 ， 同时给 负载供电 。在充电的同时系统对太阳能列阵 、 蓄电池 、 负载进行监控和管理 ， 例如 ： 为了避免对蓄电池自身造成永久性伤害 ， 设计了防过充 、 防反充等保护措施 。 当光伏电池电压值较低时 ， 控制器切断充电电路 ， 由蓄电池直接给负载 供 电 。 当 蓄电 池 电 压 值 较 低 时 ， 控 制 器 切 断 负 载 电路 ， 防止蓄电池过放 。便携式太阳能光伏电站控制系统结构框图如图 1 所示 ， 由太阳能光伏电池阵列 、 充电保护电路 、 蓄电池 、 电源 稳 压 电 路 、AVR 单 片 机 控制系统 、 DC/DC 转换电路 、 DC/AC 逆变电路以及显示器等主要部分组成 [2]。 该系统具有充电过程的自动调节 、放电过程的自动控制和保护等功能 。2 系统硬件设计（ 1） 太阳能光伏电池组 。 光伏电池是通过光电效应或者光化效应直接将光能转化为电能的装置 ， 通常由单晶硅 、 多晶硅 、 非晶硅和化合物等材料制成 [3]。 本装置太阳能电池板型号 为 NZ6161， 技术 参 数 指 标 ： 标 称 功率 0.3W， 峰值电压 3.72V， 峰值电流 80mA， 尺寸 （ 61×摘 要 ： 基于 AVR 单片机设计了全数字化便携式太阳能光伏电站控制系统 ， 并且太阳能电池安装部分结构可折叠 ， 介绍了系统的硬件构成 ， 分析了主要部件和器件的选型原则 ， 描述了系统的软件框架 。 在 AVR 单片机系统控制下 ， 可将太阳能电池获取的直流电进行有效存储和合理转换 ，提供给用户使用 ， 并且总标称功率可以选择配置 。 整个系统充分利用了 AVR 单片机的软件资源 ， 最大程度地简化了硬件电路 ， 使系统具有较高的性价比和可靠性 。关键词 ： 单片机 ； 太阳能 ； 光伏 ； 电站 ； 控制系统中图分类号 ： TP273.5； TK514 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1002－ 6673（ 2009） 01－ 109－ 03机电产品开发与创新Development ＆ Innovation of Machinery ＆ Electrical ProductsVol ．22,No ． 1Jan ． ,2009第 2 2 卷第 1 期200 9 年 1 月图 1 便携式太阳能光伏电站控制系统框图Fig.1 The structure of control system forportable solar protoltaic power station电源输出接口DC/DCDC/AC显示器AVR单片机控制系统电源稳压蓄电池充电保护电路太阳能光伏电池阵列109· 测试与控制 ·61） mm。 考虑 到太阳 能 电池和蓄电池的配套使 用 ， 系统选配的太阳能电池输出电压至少为 ： 12V× （ 1.25～ 1.5） =15V～ 18V。现用相同参数太阳能电池板进行串 - 并联使输出电压达到 15V 以上 ， 输出最大电流和总标称功率根据产品系列型号 ， 以 5× 2=10 块电池 (约 3W) 为基本单元 ， 按单元数叠加 ， 等效电路如图 2 所示 。 然后 ， 本系统根据负 载 大 小 、 太 阳 光 照度 强 弱 、 蓄 电 池 参 数等 进 行 调 整 ， 实 现 光伏电站的自动控制 。系 统 中 的 蓄 电 池可 以 在 有 光 照 时 将 太阳 能 电 池 组 所 发 出 的电 能 储 存 起 来 ， 在 需要的时候再释放出 来 。目前太阳能光伏系统中的蓄电池可以采用铅酸电池 、 镍氢电池 、 镍镉电池或锂离子电池 。 本系统中采用了广泛使用的铅酸蓄电池 。 其容量选择主要由以下因素决定 ：① 蓄电池连续工作时间 。 一般情况下 ， 蓄电池允许放电后所剩容量不低于正常额定容量的 20%； ② 蓄电池每天放电量 。 对于日负载稳定且要求不高的场合 ， 日放电量可限制为 ： 蓄电池所剩容量不低于额定容量的 80%； ③蓄电池要有足够的容量 ， 以保证不会因过充电所造成的失水 。 一般在选择蓄电池容量时 ， 应大于太阳能发电板峰值电流的 25 倍以上 ， 蓄电池在充电时就不会造成失水 ； ④ 蓄电池自身泄漏电能 。 随着电池使用时间的增长及电池温度的升高 ， 自放电率会增加 。 对于新电池的自放电率通常小于总容量的 5%， 但对于旧的质量不好的电池 ， 自放电率可增加至每月 10～ 15%； 根据以上原则 ， 本系统选用蓄电池参数为 12V/24Ah 铅封铅酸密封电池 。（ 2） 电源及充电保护电路设计 。 便携式太阳能光伏电站控制系统的电源由太阳能电池和蓄电池提供 ， AVR单片机 工作电 压 为 5V， 电源电路如图 3 所示 。 由 于太阳光照度不同 ， 蓄电池电压值不稳 ， 必须经过 LM7805稳压后 ， 再供电给 AVR 单片机 。 电路中 S1为系统总开关 。 继电器 K1 由单片机控制 ， 用于控制蓄电池充电回路的通断 。 D1、 D2 是肖特基二极管 STPS2045CT， 该管压降较低 ， 损耗非常小 ， 用于防止蓄电池向光电池反向充电 ， 提高电路的可靠性 ， 保证系统稳定工作 。（ 3） 单片机控制系统设计 。 便携式太阳能光伏电站控制系统采用 ATmega16单片机为控制核心 ， 该芯片通过对太阳能电池板电压 、 蓄电池电压等参数的检测判断并显示 ， 系统具有自动控制和保护功能 。 当有足够的太阳光 辐 射时 ,该控制系统利用太阳能光伏电池阵列给负载供电 ， 同时将多余的电能储存到蓄电池中 ， 并实时显示负载和蓄电池的工作状态 。（ 4） 显示 系 统 设 计 。 本 系 统 采 用数 码 管 与 LED 发光二极管相结合的显示方式 。 4 个数码管用于显示当前电池电 压 ， 两个 LED 分别显示系统是否处 于 充 电 状 态和蓄电 池电量是 否不足 。 由于 ATmega16的 I/O 端口 充足 ， 所以不需要额外增加译码芯片 ， 直接将 PB 口八位数 据 线 连 接 至 数 码 管 作 为 段 选 ， PA2～ PA5 作 为 位 选 。PA6、 PA7 控制两个发光二极管 。 数码管采用动态扫描工作方式 。 本系统也可以将数码管更换为液晶显示器 ，实现更丰富的信息显示 。（ 5） DC/DC变换电路设计 。 DC/DC 变换电路将太阳能光伏 电 池 组 输 出 的 (15V ～ 18V) 直 流 电 源 转 换 为 12V固定电压的直流电源 ， 主要提供给车载电器设备使用 。转换电路既可以采用功率开关管实现的直流斩波器 ， 也可以采 用 LM317 等 集成稳 压元 件 实 现 ， 本 文 中 采 用 了后一种技术方案 。（ 6） DC/AC 逆变电路设计 。 从实用角度来看 ， 很多场合都需要电站提供 220V 交流电源 。 由于太阳能电池输出都是直流电 ， 为了能向 220V 电源供电的交流电器提供电能 ， 需要将光伏电池发电系统的直流电能转换成交流电能 ， 因此系统需要具备 DC/AC 逆变功能 。常见逆变器有开关型逆变器 、 推挽型逆变器等 。 其中的开关逆变器是指功率开关器件在某一固定频率下工作 。 这 种 保 持 开 关 频率 恒 定 ， 通 过 改 变 接 通 时 间 长 短(即脉冲宽度 )， 来调节负载上获得电压大小的方法 ， 称为脉宽调制法 PWM （ Pulse Width Modulation）。 凡用脉宽调制方式控制功率器件开关的逆变器 ， 称为 PWM 开关型逆变器 。 AVR 单片机内部提供了 PWM 生成模块 ， 因此可以方便地构建开关型逆变器 。 相对于硬件电路实现的 PWM波形发生器 ， 这种由微处理器直接生成 PWM 的开关方式具有简单方便 、 损耗很小和开关频率高等优点 。本系统中的逆变模块由整流滤波 、 VDMOS 全桥 逆变电路 、 驱动电路以及由单片机控制 PWM 产生器的控制电路和保护电路等组成 。 单片机 PWM 波形由定时器photovoltaicLM7805110· 测试与控制 ·Design of Control System for Folding Portable Micro Solar Photovoltaic Power StationXU Kai-Yun ， WANG Mu-Lan ， SHAO Yu-Feng ， DENG Le(School of Automation ， Nanjing Institute of Technology ， Nanjing Jiangsu 211167， China)Abstract ： In this paper, the fully digital portable solar photovoltaic power station control systembased AVR single-chip microcomputer isconstructed. The whole hardware structure is introduced in detail. The selection principles of the correlation main elements are analyzed. Thesoftware frame and flow chart of the system are described. The direct current electrical energy from solar cells can be stored effectively andused reasonablyunder the control of the AVR microcomputer. The output electrical energy can be used for all kind of equipments, and thetotal energy can be conveniently configured. The software resources of the AVR microcontroller are utilized fully in this system, and thehardware circuit is simplified furthest. Finally, this systemholds the high performance-price-ratio and the reliability.Key words ： single-chip microcomputer ； solar energy； photovolt ； power station； control systemfor the control system1 产生并输出 。本 文 中 DC/AC 逆 变 电 路 只 产 生 一 个 有 效 值 为 12V的工频交流电源 ， 然后通过一个 12V/220V 的升压变压器来获得所需的交流电源 。（ 7） 监控模块设计 。 ATmega16单片机内部带有 8 路A/D 转换器 ， 本系统选用了其中的两路 。 第一路对太阳能光伏电池阵列进行采样 。 白天太阳能光伏电池正常工作时 ， 电压在 15V 以上 ； 当在晚上或阴天时 ， 太阳能光伏电池输出电压降低 。 单片机通过 A/D 采样后与门限电压比较 ， 若低于门限电压 ， 则切断太阳能光伏电池与蓄电池的充电回路 ， 并熄灭充电状态灯 。 第二路对蓄电池电压采样 。 当蓄电池电压过低时 ， 单片机打开蓄电池电压过低指示灯并切断输出回路 ， 以避免蓄电池电量过放 。在整个光伏电站电能管理过程中输出功率的大小主要 体 现 在 输 出 电 流 上 ， 如 果 负 载 过 重 将 使 输 出 电 压 下降 ， 甚至损坏局部电路 。 因此 ， 在工作过程中必须时刻监测整个电站的实际输出电能大小 ， 以保证用电设备和电站均稳定可靠运行 。（ 8） 便携式结构设计 。 本系统控制电路部分均选用贴片器件 ， 布局紧凑 ， 体积小巧 ， 电路板面积仅约 （ 15× 15）cm， 并且与结构部分进行一体化的嵌入式设计 。 太阳能光伏电池部分由于电池面积与其输出标称功率有关 ， 面积不能随意增减 ， 只能按基本单元进行选配 。 所以 ， 太阳能电池组采用了折叠式结构设计的方式 。 在不需要使用时 ， 可以方便地将光伏电池阵列折叠收藏 ， 便于携带 。3 系统软件设计本 系 统 软 件 由 主 程 序 和 两 个 定 时 中 断 服 务 程 序 组成 。 其中定时中断程序 1 由定时器 1 实现 PWM 波形的产 生 。 ATmega16单 片 机 的 定 时 /计 数 器 1 具 有 16 位PWM 波 形 输 出 功 能 ， 计 数 范 围 为 0000～ 0xFFFF。 其 内部 有 TCNT1、 OCR1A 和 OCR1B 三 个 相关 寄 存 器 。 TC-NT1 实 现 计 数 功 能 ， 与 普 通 计 数 器 功 能 相 同 ； OCR1A为比较的最高值 ； OCR1B 为匹配输出值 。 当启动 PWM功能时 ， TCNT1 增加 。 当 TCNT1的值增加到 OCR1B 相等时 ， OC1B 清零 ， 此时对应低电平 ； 之后 TCNT1 继续增 加 到 OCR1A 的 值 （ 即 比 较 的 最 高 值 ）， 然 后 TCNT1开始减少 ， 在此期间 OC1B 状态不变 ； 当 TCNT1 减少至OCR1B 的 值 时 ， OC1B 置 1， 此 时 对 应 高 电 平 。 此 后 ，TCNT1 继 续 减 少 到 0x00， 然 后 TCNT1 继 续 开 始 增 加 ，在此期间 ， OC1B状态继续保持不变 。 因此 OCR1B的值与 OCR1A的比值即为 PWM 的占空比 。定时中断程序 2 的功能为定时启动两路 A/D 采样并进行相关数据处理 ， 实时监控太阳能光伏电池和蓄电池的电压并记录各自状态 。主程序根据 A/D 采样结果确定相应的保护措施 ， 同时在每次蓄电池电压采样完毕后 ， 进行数据处理 ， 并对显 示 器 进 行 刷 新 。 系 统 的 主程序流程图如图 4 所示 。4 结束语我 国 能 源 资 源 少 、 结 构不 合 理 、 利 用 率 低 和 环 境 污染严重等问题仍然非常突出 。由于世界能 源紧缺 ,加速推广利 用 太 阳 能 等 可 再 生 能 源 已成 为 实 现 可 持 续 发 展 的 重 要条 件 。 目 前 ， 世 界 各 国 都 在加 强 可 再 生 能 源 利 用 技 术 的开 发 、 应 用 及 推 广 ， 造 福 于人 类 。 针 对 以 上 需 求 ， 本 文介 绍 的 微 型 太 阳 能 光 伏 电 站控 制 电 路 具 有 结 构 简 单 、 造价 低 廉 、 无 污 染 等 特 点 ， 适用于手机 、 数码照相机 、 MP3、 便携式计算机等小型电器设备使用 。 特别为旅游和野外操作者提供电能 ， 从而可以尽情地享用大自然赐于我们的绿色能源 。参考文献 ：[1] 赵春江 ， 杨金焕 ， 陈中华 ， 等 .太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].节能技术 ， 2007， 5.[2] 周丽梅 ， 薛钰芝 ， 林纪宁 ， 等 .小型太阳能光伏发电系统的实现 [J].大连铁道学院学报 ， 2006， 1.[3] 冯垛生 .太阳能发电原理与应用 [M]. 北京 ： 人民邮电出版社 ， 2007.[4] 马潮 . AVR 单片机嵌入式系统原理与应用实践 [M]. 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 2007.电池电量低指示灯灭111