摘 要：太陽能作為一種高效無污染的天然能源，必將成為未來常規(guī)能源的一種重要的替代品。本文介紹了一種小功率太陽能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)由太陽能電池板模塊、充放電控制電路、液晶顯示電路、蓄電池、逆變控制電路組成，實現(xiàn)了太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，并通過充放電控制器控制蓄電池充放電，逆變控制模塊把直流電流逆變?yōu)?20V±5V、50±2HZ的交流電。經(jīng)測試，本系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計性能指標。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；充放電控制；逆變

中圖分類號：TM615

能源是經(jīng)濟、社會發(fā)展和改善人民生活的重要物質(zhì)，能源問題是一個國家發(fā)展的關(guān)鍵[1，2]。石油、煤炭資源的減少，環(huán)境污染問題的日益嚴重，使得發(fā)展新能源和可再生能源刻不容緩。太陽能是豐富的可再生能源，充分利用太陽能可以保持人與自然的和諧發(fā)展。人類早期對太陽能的利用主要是光和熱，光伏發(fā)電技術(shù)的興起為太陽能的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，受到各國政府的重視，自90年代以來，太陽能光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用于航空航天、通訊、交通和偏遠地區(qū)的居民用電等。近年來，太陽能光伏發(fā)電始終保持30%-40%的年增長量，被譽為全世界增長最快的能源。在不遠的將來太陽能光伏發(fā)電將會成為世界首要消費能源。對比國際光伏發(fā)展的大環(huán)境，世界光伏產(chǎn)業(yè)每年以31%的速度發(fā)展，而我國的光伏產(chǎn)業(yè)每年只有15%的增長率[3]，因此，開展光伏發(fā)電研究項目，拉動我國光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展事在必行。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的小功率太陽能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板模塊、蓄電池、充放電控制電路、液晶顯示電路、逆變器電路組成。太陽能電池通過光生伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成直流電能，充放電控制器控制直流電能對蓄電池充電和蓄電池對外放電，并對電池電壓、輸出電流進行測量，送出顯示，同時充放電控制器還控制蓄電池的過放，過流保護以及過放、過流恢復。蓄電池輸出的直流電流通過逆變器和工頻變壓器得到220V±5V、50±2HZ的交流電，為負載供電[4]，系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

單晶硅太陽能電池是按一定結(jié)構(gòu)排列的P-N結(jié)，根據(jù)光生伏打效應(yīng)的原理，將光能量轉(zhuǎn)換成電能。充放電控制器的核心器件為蓄電池充電控制芯片UC3906和單片機STC12C5410AD。由文獻[5，6]可知，UC3906內(nèi)置有電壓、電流檢測與比較電路，以及獨立的電壓控制回路和限流電路，具有蓄電池最優(yōu)充電需要的控制和檢測功能，充電過程分為大電流充電、恒壓充電、浮充充電，與理想的蓄電池充電曲線相近[7]，UC3906充電狀態(tài)曲線如圖2，更為特殊的是它的充電特性受溫度系數(shù)的影響與蓄電池一致。UC3906控制電路設(shè)計如圖3所示。

圖2 UC3906充電狀態(tài)曲線

STC12C5410AD除具備一般單片機的功能外，還內(nèi)置有八路AD，STC12C5410AD利用內(nèi)置的ADC對蓄電池電壓、充放電控制器輸出電流測量并送出顯示，同時，對電池電壓和輸出電流進行監(jiān)測，當出現(xiàn)過放、過流時，STC12C5410AD控制輸出繼電器關(guān)閉；當電池電壓和輸出電流恢復正常后，又重新啟動輸出繼電器，這樣可以保護蓄電池，過流、過放在系統(tǒng)設(shè)計時設(shè)計有相應(yīng)的指示燈指示和蜂鳴器報警。

圖3 UC3906控制電路

液晶顯示電路主要采用基于ST7920控制器的液晶模塊SMC1602A及相應(yīng)的簡單電子器件構(gòu)成，其中，液晶SMC1602A具有16條口線，具有可選擇的4位、8位位流處理能力，采用4或8位并行數(shù)據(jù)傳送，傳送速度快，功耗相對較低，能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。逆變器由集成SPWM逆變芯片EG8010、IR2110驅(qū)動電路[8]、全橋逆變電路、工頻變壓器構(gòu)成。驅(qū)動全橋電路設(shè)計如圖4所示。全橋逆變電路開關(guān)管型號為IRF3205，耐壓值55V，電流110A，IRF3205內(nèi)阻小，因而開關(guān)管自身損耗較低。

圖4 驅(qū)動、全橋電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)程序流程如圖5所示，采用C語言設(shè)計程序。編程思路為：利用STC12C5410AD內(nèi)置的兩路10位ADC分別實時監(jiān)測蓄電池電壓和充放電控制器放電電流，除了對測量的電壓與輸出電流的結(jié)果送出顯示，還根據(jù)測量結(jié)果控制輸出繼電器開關(guān)并給出報警信號，從而保護蓄電池。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 充放電控制器測試

表1 充放電控制器的測量數(shù)據(jù)

表1所示參數(shù)說明充電電流與太陽能電池短路電流相近，正常充電時此太陽能光伏交流發(fā)電系統(tǒng)能充分地利用太陽能電池的功率。系統(tǒng)的充電效率高，平均可達90%以上，充電損耗主要來自電流檢測電阻、晶體管、整流二極管。采用低導通壓降的晶體管和整流二極管，可有效減小損耗。

3.2 逆變器參數(shù)與功能檢測

測試方法：觀察輸出波形時，使用兩根衰減10X的示波器探頭串聯(lián)，并在示波器中設(shè)為20X的衰減率；電壓、電流均采用數(shù)字萬用表直接測量；切換負載開關(guān)選擇改變負載，分別測量并記錄數(shù)據(jù)。不同負載下的輸出波形如圖6、7。

圖6 空載時的輸出波形圖

圖7 負載為5W節(jié)能燈的輸出波形圖

表2 不同負載條件下逆變器的參數(shù)

由圖6、7的波形及表2中的數(shù)據(jù)總結(jié)如下：隨著負載增大，逆變器輸出波形穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯畸變，頻率變化量為0.1HZ，高于設(shè)計要求的50±2HZ，逆變轉(zhuǎn)換效率增高，但電壓下降幅度偏大，輸出功率超過15W時已不能滿足220±5V的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種小功率光伏交流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，并對所設(shè)計的電路進行了功能、性能測試，經(jīng)測試設(shè)計系統(tǒng)性能指標基本達到設(shè)計要求，具有電流、電壓實時顯示，過放、過流保護及恢復、反接、短路保護，過充保護等功能，在輸出功率不超過15W時，逆變輸出的正弦波畸變小，電壓、頻率穩(wěn)定，逆變效率可接近88%。

參考文獻：

[1]楊金煥，陳中華.21世紀太陽能發(fā)電的展望[J].上海電力學院學報，2001（04）：23-28.

[2]李芬，陳正洪等.太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J].水電能源科學，2011（12）：188-192.

[3]周志敏，紀愛華.太陽能LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2011：70-73.

[4]全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.第九屆全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社，2009：3-3.

[5]路秋生，趙紅，唐繼芳.采用UC3906的開關(guān)型鉛酸蓄電池充電電路[D].北京：北京信技術(shù)學院，2006.

[6]李兵.基于UC3906的免維護鉛酸蓄電池智能充電器的設(shè)計[D].安徽：安徽農(nóng)業(yè)大學，2005.

[7]楊振華.鉛酸蓄電池知識培訓資料[D].陜西：陜西凌云蓄電池廠，2006.

[8]劉風君.正弦波逆變器[M].北京：科學出版社，2002：8-11.

作者簡介：陳忠進（1986-），男，江蘇海安人，碩士研究生，從事圖像處理及應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計的研究；通信作者：吳艷（1980-），女，湖北天門人，博士，從事圖像處理及應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計的研究。

作者單位：廣西科技大學電氣學院，廣西柳州 545006

基金項目：廣西科技大學博士基金項目：院科博11Z08。