1、太阳能充电器设计魔姑婷11太阳能产品设计蘑菇亭第一章 产品功能介绍有着魔法一般能力的蘑菇亭，能为游客无尽的补充电能。蘑菇亭适用建于野外公共场所，是游客们遮阳、避雨的好地方。蘑菇亭也是一座小型的太阳能发电站，但是它把太阳能转换成了可直接利用的电能，故将之列入为太阳能充电器。蘑菇亭提供 USB 接口直流电和两相交流电，有 40 个 USB 接口和 20 个普通插座。USB 接口直流电直接用于手机充电，5V 直流型，其输出量达 500mAh，对一般的手机充电 2 小时即可完成。普通插座是 220V50Hz 通用性电力，能够完全满足游客对电能的需要。1.1，游客只需投币一枚，即可享用电能一次。1.2，
2、蘑菇亭外观1.3 蘑菇亭近景太阳能充电器设计魔姑婷22第二章 产品设计太阳能充电器设计魔姑婷332.1 蘑菇亭组成蘑菇亭有：钢筋支架、钢筋片、水泥柱、水泥凳、光伏系统、投币系统。水泥柱内部放置太阳能发电系统控制电路。水泥凳内部放置投币系统、电力输出线路。蘑菇顶层放置太阳能电池组，设有 720 小块多晶硅片。2.2 蘑菇及水泥凳设计蘑菇部分材料需用 1000kg 钢筋做支架，支撑板；2m水泥砂浆浇筑成蘑菇底部。水泥石凳由大理石和水泥砂浆浇筑。设计要求： 蘑菇底部水泥柱底部直径为 1 米，内设可放置光伏电系统（太阳能电池组除外）的足够空腔。 蘑菇水泥柱中部开设通风口 蘑菇伞状直径为 4 米，可容纳
3、足够的太阳能电池片。 蘑菇高度为 4 米 蘑菇伞状倾角 2730 水泥石凳长 2.5 米，高度 40cm ，露地面高度 30cm。太阳能充电器设计魔姑婷44 水泥石凳内设空腔，用于电力输出线路 水泥石凳每个插孔旁边设有投币口2.3 太阳能电池组件蘑菇亭对硅片要求不高，一般的长方形即可，组件根据伞状凸面成型。为了达到对电流的要求，可以用串联法适当提高电流。太阳能充电器设计魔姑婷55第三章 控制系统3.1 蓄电池内设两个蓄电池，铅酸免维护蓄电池、微型铅酸蓄电池 4V。铅酸免维护蓄电池用于 220V 电路，微型铅酸蓄电池 4V 用于 USB 直流电路。3.1.1 免维护铅酸蓄电池相关参数：品牌：EA
4、ST 易事特 类型：其他电池盖和排气拴结构：阀控式密闭蓄电池荷电状态：免维护蓄电池型号：NP65-12 化学类型：铅酸蓄电池额定容量：65Ah 电压：220（V） 外型尺寸：350*167*183（mm）产品认证：泰尔 适用范围：UPS 蓄电池3.1.2 微型铅酸蓄电池太阳能充电器设计魔姑婷66相关参数：电池盖和排气拴结构： 阀控式密闭蓄电池 化学类型： 铅酸蓄电池荷电状态： 免维护蓄电池 电压： 4（V） 型号： FP4200 额定容量： 20.0AH外型尺寸： 149*43*154（mm） 产品认证： CE适用范围： UPS 蓄电池3.2 控制器控制器要求系统电压：48V充电电流：12A
5、& 0.1A有过载、短路保护3.2.1 最大功率点跟踪型控制器 1太阳能发电的原理主要是半导体的光电效应。当太阳能电池的负载电阻为零时，所测的电流为电池的短路电流。Isc 值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc 值越大。同一块太阳能电池，其 Isc 与入射光的辐照度成正比：当环境温度升高时，Isc 值略有上升。当负载电阻无穷大时，所测得的电压为电池的开路电压。太阳能电池的开路电压与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降。太阳能电池在不同温度、辐射强度下的电流电压特性显
6、示了通过太阳能电池(组件)传送的电流 Isc 与电压在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池(组件)电路短路，即 U=0，此时的电流为短路电流 Isc：如果电路开路，即 I=0，此时的电压为开路电压 Uoc。太阳能电池(组件)的输出功率等于流经该电池(组件)的电流与电压的乘积，即 P=IU。太阳能充电器设计魔姑婷77当太阳能电池(组件)的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池(组件)的电压从 0 (短路条件下)开始增加时，电池(组件)的输出功率亦从 0 始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至 0，即电压达到开路电压 Uoc。电池(
7、组件)输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Um，又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流 Im 又称为最大工作电流：该点的功率，则称为最大功率 Pm。太阳能电池在不同温度、辐射强度下的 P-V 特性是一组具有各自一个最大功率点的曲线。太阳能电池的输出是随着电压的变化而不规则变化的，只要控制太阳能电池两端的电压跟踪Um，就能实现最大功率的输出。3.2.2 最大功率点跟踪装置的设计方案太阳能电池组经 Boost(直流直流升压变换器)电路对蓄电池组充电。系统由 AD 芯片采样蓄电池的电压和电流，再通过最大功率点跟踪控制器寻找出太阳能电池最大功率点
8、，给出控制信号，经 PWM(脉宽调制式)驱动电路调节 Boost变换器的占空比 D，从而改变 Boost 变换器的 Um(即太阳能电池的输出电压)，使其与太阳能电池组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使太阳能电池组始终输出最大功率，充分利用太阳能。系统中最大功率点跟踪控制器由单片机系统实现。系统中最大功率跟踪过程实际是一个太阳能电池功率自寻优的过程。对于以蓄电池作为负载的情况，考虑到充电过程中蓄电池两端的电压变化与温度和辐射强度引起的 Io 变化过程相比是一个渐变过程，所以只需测量蓄电池组电流Io 的变化，使其始终保持在当前时刻下的最大值，即可确定太阳能电池组工作在最大功率点。系统中蓄电池组的
9、 Io 经采样后，进行 AD 转换，在最大功率点跟踪控制器中将当前时刻的采样电流 Io(助与上一时刻的采样电流 Io(k 一 1)相比较，确定功率变化的方向，再结合上时刻占空比 D 的变化，直接确定当前时刻 D 应增大还是减小。太阳能充电器设计魔姑婷88最大功率点跟踪装置系统图3.2.3 Boost 直流一直流升压电路Boost 升压电路在最大功率点跟踪装置中起到调节太阳能输出电压，达到电力稳定的作用。图 2 为 Boost 变换器的基本电路。其工作原理为：开关管驱动电路开通时间 ton 期间：二极管 D 反偏截止，电感 L 储能，电容 C 给负载 RL 提供能量；开关管驱动电路截止时间如 t
10、off 期间：二极管 D 导通，电感 L 经二极管 D 给电容充电，并向负载 RL 提供能量。其输出电压为：式 1式中占空比 D=tors(开关周期)。当 D=0 时，Vo=，但 D 不能为 l，因此在 oDDmin 的情况下，太阳能电池才能对蓄电池组的充电电流产生影响。该值可按下列方法求出。设输入端电压为太阳能电池的开路电压 Uoc，则由上式可得：式 2太阳能充电器设计魔姑婷99当 D 在 Dmin 到 100的区间内变化时，Boost 电路输入输出端的电压应满足(1)式，在 Uo 不变的情况下，改变 D 将改变与 Boost 变换器输入端相连的太阳能电池两端的电压。由此可得：式 3因此，B
11、oost 电路的输入端电压 Uin 可在 0Uoc 之间变化。只要太阳能电池具有合适的开路电压，通过改变 Boost 占空比 D，就能找到与太阳能电池最大功率点对应的 Uin 值，此时太阳能电池输出功率最大。本系统中 Boost 电路的组成及元件参数为：电感(820 mH15A)，二极管(5A)，电容(16 uf400V)，TL494 驱动电路，MOSFET(IRFP460)开关管，蓄电池(24 V)。单晶硅太阳能电池的技术参数：开路电压 215V，最大短路电流163A。Boost 电路的调试顺序为，先空载，再电阻负载，最后蓄电池负载。测试结果表明 Boost 输出与输入基本符合 U0=Uin
12、/（1-D)的关系。其控制电压和占空比呈线性关系，两者比率约为 0.3。3.2.4 最大功率点跟踪控制器最大功率点跟踪控制器包括 AD 转换、单片机、DA 转换三部分组成，主要作用是通过它来计算控制太阳能电池最大功率点的占空比的变化方向。选用STC89C516RD+单片机，是一种 CMOS 8 位单片机，在电路中主要是起处理数据和控制数据的作用。单片机算法程序流程如下图示：太阳能充电器设计魔姑婷1010算法程序是通过功率的变化来计算占空比的增减。首先初始化 I0 和 D(k)，D(k-1)，然后采集蓄电池电流 I0 和 D(k） ，比较当前时刻的电流 I0(k)和前一时刻的电流 I0(k-1)
13、，如果 Io(k)Io(k-1)，说明功率是增加的，再比较当前时刻的占空比 D(七)和前一时刻的 D(k-1)，根据功率曲线，若 D(DD(k-1)，说明太阳能电池的电压 Uin 是减小的，是往输出大功率方向的，所以为了使 Uin 减小，D(k)应增大，反之则减小。达到最大功率跟踪的目的。装置中采用的 AID 转换电路是一块具有 12 位精度的 AD 转换芯片TLC2543。它具有 1 1 个模拟信号输入口，可以对 11 个数据进行 AD 转换。在装置中用了三个采样通道，分别将外部的太阳能电池电压、蓄电池的电压，和蓄电池的充电电流转换成单片机的数字信号以便单片机的数字处理。DA 转换芯片采用
14、12 位精度的 TLC5618，它有两个模拟量输出通道可供选择。其作用是将单片机内计算出来的数字量的占空比转换成模拟量信号输入到 Boost 变换器驱动电路 PWM 控制芯片的控制端。本装置输出选用的是 OUTA 通道(由 16 位数据的高四位决定)。TLC2543 与单片机的连接图 片机与 DA 芯片 TLC5618 的接线图。3.2.5 太阳能最大功率点装置系统集成下图是太阳能最大功率点装置的总体接线图，其中的单片机模块对应于图7。装置通过 120 的采样电阻进行采样，10 电阻采样输出电流，通过三个模拟量输入通道将数据传送到单片机中，然后由单片机进行算法的计算，输出一个控制量，再通过 D
15、A 芯片转换，将输出量送到 TL494 芯片的控制端玩 1，以控制 PWM 的宽度，从而调节 Boost 电路的占空比 D，来控制太阳能输出电压，使之与最大功率点对应的电压相匹配。太阳能充电器设计魔姑婷1111太阳能最大功率点装置的总体接线图单片机接线图太阳能充电器设计魔姑婷12123.3 逆变器佰威特纯正弦波电源转换器相关参数：品牌：佰威特型号：48V 转 220V & 24V 转 220V & 12V 转 220V持续输出功率：2500W电压转换功能：48V-220V 互换是否带 USB：否3.4 离网光伏蓄电系统3.5 投币系统 2系统应属单片机应用系统，其硬件主要包括单片机及其辅助电路
16、、显示模块、执行机构、信号获取模块。系统中的信号流如下图所示：太阳能充电器设计魔姑婷1313智能投币系统信号流程图单片机采用 AT89C52 型，为保障检测精度，系统采用 12MHz 晶体振荡器。晶振频率稳定获得保证了本机辨识硬币的准确性和可靠性。太阳能充电器设计魔姑婷1414第四章 产品评估4.1 成本评估太阳电池片:3000 元1000kg 钢筋:360 元2m 水泥砂浆:600 元铅酸蓄电池:680 元微型铅酸蓄电池:320 元控制器:400 元逆变器:2500 元 投币系统:350 元安装费:500 元总计：8710 元4.2 整体评估该产品所用设备领先，公益性好，假如每位游客使用 1 小时，那么每天至少有240 位游客使用，一天平均收入 2401.5=360 元，一年收入 360365=131400元。减去维护费 5000 元，年净收入 126400 元。一年内即可获利。太阳能充电器设计魔姑婷1515参考文献1 周令琛，王晓伟，太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实 现，上海第 二大学学报第 26 卷，2009 年 9 月。2 吴火松，投币式太阳能手机加油站设计 2012 年。
