太阳能充电系统设计

潘青伟 羌淼淼 黄运健 周小善 侯山君 张晋轩

摘要：进入二十一世纪以来，人类面临着化石燃料短缺，实现社会可持续发展的的重大挑战，能源问题日益严重。而太阳能作为一种理想的清洁能源，被看作具有代表性的新能源和可再生能源。为解决可持续供电、改善不方便拉电地区、拉电成本高地区等问题，利用太阳能易获取、清洁、可持续等优点，文章设计一款体积小、便携的太阳能充电系统，系统以太阳能电池板为能源的核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心控制实现系统充放电。太阳能充电系统主要工作原理是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过单片机变换电路处理后为负载供电，系统主要包括硬件和软件两部分，硬件主要由电板的串联部分、并联部分、电池逆变器部分;软件部分主要由通信、控制、A/D转化等。最后制作了充电系统实物，并实进行调试，现了充电功能，由此可证明该系统方案设计可行。

关键字：太阳能;充电系统;单片机

0引言

太阳能是一种可再生能源。是指太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式：辐射），主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。党的十八大以来，生态文明建设被纳入“五位一体”总体布局，提出了创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念，环境保护被提升至前所未有的战略高度。在先阶段的中国，电力能源中火力发电依然是占据相当大的比重，而水利等新能源的发展受区域的影响很大，大规模的开发需要很高的成本，为此研究设计太阳能充电是一个环保节能的方案。

随着我国经济地飞速发展，对能源地需求增大，但传统能源地不可再生性又制约经济地发展，同时，生态环境、经济能源地矛盾也越来越突现，而太阳能是一个行之有效、取之不尽地清洁能源，是我们发展低碳经济不可获缺地重要手段，利用太阳能发电是大势所趋，势在必行.

太阳能发电主要是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。由太阳电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载和交流负载等构成，主要部件为电子元器件。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

通过设计方便捷的太阳能充电系统，解决电能不能大量存储问题，实现电能的持续供电，降低拉电成本，改善拉电不便地区用电问题，也可作为酒店，公共场所备用电源。太阳能充电系统操作方便，功能齐全，能满足各类人群在生活中的需求，在未来有着良好而广阔的市场前景。

1太阳能充电系统的技术理论基础

1.1太阳能充电系统工作原理

接受到阳光的地方安装太阳能发电板，通过控制器将电能储存在蓄电池中，需要用电时通过逆变器转换交流电，满足部分用户用电需求，以减少从电网中的用电量，在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，.通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。

2太阳能充电系统的概述及其介绍

2.1太阳充电系统的主要组成部件

光伏电源即太阳能电池组件，它的串并联结构主要根据系统所需容量，以及对电流电压的要求决定，为整个光伏系统提供可靠的能源。

控制器是光伏发电系统中的核心部分之一，它包括对蓄电池充放电的控制、系统故障的整定和判断和信号检测。控制器是光伏系统的中枢神经，为整个系统安全稳定运行提供了可靠的保障。

蓄电池组即代表了储能元件，它直接接受并储存光伏电源提供的电能，然后向负载提供可靠的输出。

逆变器主要是将太阳能电池和蓄电池发出的直流电转换为交流电，供交流负载使用。逆变器包括了稳定电压输出、故障保护如线路短路、负荷过载、蓄电池充电过电压和蓄电池放电欠电压保护等功能。

2.2太阳能充电系统各部分的设计及构造

太阳能充电系统的设计中主要包括硬件部分和软件部分。

2.2.1硬件部分

硬件部分主要有三部分电路组成：电板的串联部分，并联部分，电池逆变器部分。电路图如下图所示。

2.2软件部分

软件部分主要有各部分通信、控制、A/D转化等。设计中，由于从直线位移传感器输出的是电压信号，而单片机控制电机转动所需要的是数字信号。因此，在直线位移传感器与单片机之间还要有一个A/D转换电路，使直线位移传感器输出得电压信号转换为单片机所识别的数字信号。

3太阳能充电系统的电路设计

3.1总电路设计

太阳能充电系统的电路，以太阳能电池板为能源的核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心。当光伏电池受到光照产生电能，由单片机自带的PWM功能产生脉冲控制MOSFET的通断来给蓄电池充电，通过蓄电池两端的分压电阻测量蓄电池的端电压，由于单片机自带A/D转换功能，分压电阻端的电压可直接与单片机相连，通过蓄电池端电压的变化改变脉冲的占空比，提高蓄电池的充电效率，当蓄电池达到充电充满时的电压后，控制MOSFET断开，停止给蓄电池充电，防止蓄电池过充。

3.2太阳能电池板设计

將若干个太阳能电池板并联和串联起来，并排成阵列，构成光伏阵列。光伏组件的串联数目，是依据其最大的功率点电压，与负载正常运行时的工作电压相匹配来确定的，再根据负载所需的电流容量确定光伏组件的并联数目。当光伏组件串联使用时，输出的总电压是单个光伏组件电压之和，输出的总电流等于工作电流最小的那个光伏组件的电流;

3.3控制电路设计

采用STC89C52单片机作为核心，因为STC89C52单片机有较为强大的控制功能及可位寻址操作管理功能、价格低廉等优点。STC89C52单片机具有强大的位操作指令，I/O口可按位寻址，程序空间高达8K，完全可以满足本设计的需要。更值得一提的是，STC89C52单片机的价格非常低。

本系统通过STC89C52单片机作为系统的控制端和数据处理端。用户可以在LCD1602液晶显示器上进行数据观察，也可以观察当前太阳能充电电压和充电时间以及室内光照强度、温湿度、等环境参数，为自己设定相应需要的数值。控制电路原理图如下图所示。

3.1控制电路原理图

4太阳能充电系统的实物制作

首先准备材料作为构筑太阳能充电的工具，需要太阳能面板、蓄电池（与太阳能面板的电压匹配）、DC/AC转换、充电控制器、电缆材料及工具材料（电线烙铁，螺丝刀，万用表等）。其次是实际的连接，将太阳能面板，充电控制器、蓄电池、逆变器、负载等依次进行连接安装。（注意分清电路的正负极）最后安装完毕后进行调试要保证整个电路的安全，避免过放电。在电路连接正确安全的情况下，可以根据自己的创意设计外壳，实物图如下。

5总结与展望

5.1总结

本次设计使用的是单片机驱动的方法来进行控制，设计中，单片机采用型号为STC89C52，通过编程使单片机和驱动芯片能够对充放电驱动和控制。系统无机械转动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏系统只要有太阳，电池组件就会发电，加之采用合成自动控制数，基本不用人工操作。但是，在设计过程中，由于时间和精力有限，设计还存在一定的不足，在未来的工作中，我们将对太阳能充电系统进一步完善改进，使得晾是整个系统更简单，便于使用。

5.2展望

作为清洁能源，太阳能的多元化利用是时代发展的必然要求。在国际市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地，所以太阳能电池的市场是很大的。由于全球人口和发展中国家工业化进程加快，全球能源消耗呈现3%的速度增加，并在今后较长的时间内将有可能维持这个增长速度。而目前全球已探明的一次能源的储量预计100年内将会耗尽。因此，各个国家和地区都需要积极开发利用可再生能源。太阳能作为最重要的可再生能源之一，由于其清洁、卫生、安全、资源丰富等多方面的优势，其发展越来越得到重视。当然，全面推行使用新能源，更需要全民的共同努力。我们有责任从理论上不断完善技术，从实践上扩大应用领域。

参考文献

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作者简介：潘青伟，广西大学行健文理学院理工学部

通讯作者：张晋轩，广西大学行健文理学院理工学部

课题项目：2021年大学生创新创业训练项目（202113638078）