潘青偉 羌淼淼 黃運健 周小善 侯山君 張晉軒

摘要：進入二十一世紀以來，人類面臨著化石燃料短缺，實現社會可持續(xù)發(fā)展的的重大挑戰(zhàn)，能源問題日益嚴重。而太陽能作為一種理想的清潔能源，被看作具有代表性的新能源和可再生能源。為解決可持續(xù)供電、改善不方便拉電地區(qū)、拉電成本高地區(qū)等問題，利用太陽能易獲取、清潔、可持續(xù)等優(yōu)點，文章設計一款體積小、便攜的太陽能充電系統(tǒng)，系統(tǒng)以太陽能電池板為能源的核心對硬件電路進行供電，控制電路以單片機為核心控制實現系統(tǒng)充放電。太陽能充電系統(tǒng)主要工作原理是通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，經過單片機變換電路處理后為負載供電，系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，硬件主要由電板的串聯部分、并聯部分、電池逆變器部分;軟件部分主要由通信、控制、A/D轉化等。最后制作了充電系統(tǒng)實物，并實進行調試，現了充電功能，由此可證明該系統(tǒng)方案設計可行。

關鍵字：太陽能;充電系統(tǒng);單片機

0引言

太陽能是一種可再生能源。是指太陽的熱輻射能（參見熱能傳播的三種方式：輻射），主要表現就是常說的太陽光線。在現代一般用作發(fā)電或者為熱水器提供能源。自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的熱輻射能生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為制作食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已成為人類使用能源的重要組成部分，并不斷得到發(fā)展。太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源。黨的十八大以來，生態(tài)文明建設被納入“五位一體”總體布局，提出了創(chuàng)新、協調、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念，環(huán)境保護被提升至前所未有的戰(zhàn)略高度。在先階段的中國，電力能源中火力發(fā)電依然是占據相當大的比重，而水利等新能源的發(fā)展受區(qū)域的影響很大，大規(guī)模的開發(fā)需要很高的成本，為此研究設計太陽能充電是一個環(huán)保節(jié)能的方案。

隨著我國經濟地飛速發(fā)展，對能源地需求增大，但傳統(tǒng)能源地不可再生性又制約經濟地發(fā)展，同時，生態(tài)環(huán)境、經濟能源地矛盾也越來越突現，而太陽能是一個行之有效、取之不盡地清潔能源，是我們發(fā)展低碳經濟不可獲缺地重要手段，利用太陽能發(fā)電是大勢所趨，勢在必行.

太陽能發(fā)電主要是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。由太陽電池組件組成的光伏方陣、太陽能充放電控制器、蓄電池組、離網型逆變器、直流負載和交流負載等構成，主要部件為電子元器件。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

通過設計方便捷的太陽能充電系統(tǒng)，解決電能不能大量存儲問題，實現電能的持續(xù)供電，降低拉電成本，改善拉電不便地區(qū)用電問題，也可作為酒店，公共場所備用電源。太陽能充電系統(tǒng)操作方便，功能齊全，能滿足各類人群在生活中的需求，在未來有著良好而廣闊的市場前景。

1太陽能充電系統(tǒng)的技術理論基礎

1.1太陽能充電系統(tǒng)工作原理

接受到陽光的地方安裝太陽能發(fā)電板，通過控制器將電能儲存在蓄電池中，需要用電時通過逆變器轉換交流電，滿足部分用戶用電需求，以減少從電網中的用電量，在無光照時，通過太陽能充放電控制器由蓄電池組給直流負載供電，同時蓄電池還要直接給獨立逆變器供電，.通過獨立逆變器逆變成交流電，給交流負載供電。

2太陽能充電系統(tǒng)的概述及其介紹

2.1太陽充電系統(tǒng)的主要組成部件

光伏電源即太陽能電池組件，它的串并聯結構主要根據系統(tǒng)所需容量，以及對電流電壓的要求決定，為整個光伏系統(tǒng)提供可靠的能源。

控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分之一，它包括對蓄電池充放電的控制、系統(tǒng)故障的整定和判斷和信號檢測。控制器是光伏系統(tǒng)的中樞神經，為整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。

蓄電池組即代表了儲能元件，它直接接受并儲存光伏電源提供的電能，然后向負載提供可靠的輸出。

逆變器主要是將太陽能電池和蓄電池發(fā)出的直流電轉換為交流電，供交流負載使用。逆變器包括了穩(wěn)定電壓輸出、故障保護如線路短路、負荷過載、蓄電池充電過電壓和蓄電池放電欠電壓保護等功能。

2.2太陽能充電系統(tǒng)各部分的設計及構造

太陽能充電系統(tǒng)的設計中主要包括硬件部分和軟件部分。

2.2.1硬件部分

硬件部分主要有三部分電路組成：電板的串聯部分，并聯部分，電池逆變器部分。電路圖如下圖所示。

2.2軟件部分

軟件部分主要有各部分通信、控制、A/D轉化等。設計中，由于從直線位移傳感器輸出的是電壓信號，而單片機控制電機轉動所需要的是數字信號。因此，在直線位移傳感器與單片機之間還要有一個A/D轉換電路，使直線位移傳感器輸出得電壓信號轉換為單片機所識別的數字信號。

3太陽能充電系統(tǒng)的電路設計

3.1總電路設計

太陽能充電系統(tǒng)的電路，以太陽能電池板為能源的核心對硬件電路進行供電，控制電路以單片機為核心。當光伏電池受到光照產生電能，由單片機自帶的PWM功能產生脈沖控制MOSFET的通斷來給蓄電池充電，通過蓄電池兩端的分壓電阻測量蓄電池的端電壓，由于單片機自帶A/D轉換功能，分壓電阻端的電壓可直接與單片機相連，通過蓄電池端電壓的變化改變脈沖的占空比，提高蓄電池的充電效率，當蓄電池達到充電充滿時的電壓后，控制MOSFET斷開，停止給蓄電池充電，防止蓄電池過充。

3.2太陽能電池板設計

將若干個太陽能電池板并聯和串聯起來，并排成陣列，構成光伏陣列。光伏組件的串聯數目，是依據其最大的功率點電壓，與負載正常運行時的工作電壓相匹配來確定的，再根據負載所需的電流容量確定光伏組件的并聯數目。當光伏組件串聯使用時，輸出的總電壓是單個光伏組件電壓之和，輸出的總電流等于工作電流最小的那個光伏組件的電流;

3.3控制電路設計

采用STC89C52單片機作為核心，因為STC89C52單片機有較為強大的控制功能及可位尋址操作管理功能、價格低廉等優(yōu)點。STC89C52單片機具有強大的位操作指令，I/O口可按位尋址，程序空間高達8K，完全可以滿足本設計的需要。更值得一提的是，STC89C52單片機的價格非常低。

本系統(tǒng)通過STC89C52單片機作為系統(tǒng)的控制端和數據處理端。用戶可以在LCD1602液晶顯示器上進行數據觀察，也可以觀察當前太陽能充電電壓和充電時間以及室內光照強度、溫濕度、等環(huán)境參數，為自己設定相應需要的數值?？刂齐娐吩韴D如下圖所示。

3.1控制電路原理圖

4太陽能充電系統(tǒng)的實物制作

首先準備材料作為構筑太陽能充電的工具，需要太陽能面板、蓄電池（與太陽能面板的電壓匹配）、DC/AC轉換、充電控制器、電纜材料及工具材料（電線烙鐵，螺絲刀，萬用表等）。其次是實際的連接，將太陽能面板，充電控制器、蓄電池、逆變器、負載等依次進行連接安裝。（注意分清電路的正負極）最后安裝完畢后進行調試要保證整個電路的安全，避免過放電。在電路連接正確安全的情況下，可以根據自己的創(chuàng)意設計外殼，實物圖如下。

5總結與展望

5.1總結

本次設計使用的是單片機驅動的方法來進行控制，設計中，單片機采用型號為STC89C52，通過編程使單片機和驅動芯片能夠對充放電驅動和控制。系統(tǒng)無機械轉動部件，操作、維護簡單，運行穩(wěn)定可靠。一套光伏系統(tǒng)只要有太陽，電池組件就會發(fā)電，加之采用合成自動控制數，基本不用人工操作。但是，在設計過程中，由于時間和精力有限，設計還存在一定的不足，在未來的工作中，我們將對太陽能充電系統(tǒng)進一步完善改進，使得晾是整個系統(tǒng)更簡單，便于使用。

5.2展望

作為清潔能源，太陽能的多元化利用是時代發(fā)展的必然要求。在國際市場巨大潛力的推動下，各國的太陽能電池制造業(yè)爭相投入巨資，擴大生產，以爭一席之地，所以太陽能電池的市場是很大的。由于全球人口和發(fā)展中國家工業(yè)化進程加快，全球能源消耗呈現3%的速度增加，并在今后較長的時間內將有可能維持這個增長速度。而目前全球已探明的一次能源的儲量預計100年內將會耗盡。因此，各個國家和地區(qū)都需要積極開發(fā)利用可再生能源。太陽能作為最重要的可再生能源之一，由于其清潔、衛(wèi)生、安全、資源豐富等多方面的優(yōu)勢，其發(fā)展越來越得到重視。當然，全面推行使用新能源，更需要全民的共同努力。我們有責任從理論上不斷完善技術，從實踐上擴大應用領域。

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作者簡介：潘青偉，廣西大學行健文理學院理工學部

通訊作者：張晉軒，廣西大學行健文理學院理工學部

課題項目：2021年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（202113638078）