能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前的世界能源以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主體。而化石能源是不可再生的資源，并且在生產(chǎn)和消費(fèi)過程中產(chǎn)生大量污染物，破壞生態(tài)環(huán)境。
通過太陽能電池將資源無限、清潔干凈的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的太陽能光伏發(fā)電，是新能源和可再生能源家族中的重要成員之一。
1 太陽能電池的基本原理及伏安特性
當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，這種現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。該效應(yīng)在液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生。但只有在固體中，尤其是在半導(dǎo)體中，才會(huì)有較高的轉(zhuǎn)換效率。
太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，就會(huì)在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生電壓，使P-N結(jié)短路，從而產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)度的加大而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，就可以將太陽能電池看成恒流電源。
對(duì)于太陽能電池方陣而言，應(yīng)按照用戶的要求、負(fù)載的用電量及技術(shù)條件確定太陽能電池組件的串并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由太陽能電池方陣的工作電壓決定，應(yīng)考慮蓄電池的均浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對(duì)太陽能電池的影響。蓄電池的容量決定其最大充電電流，該數(shù)值再結(jié)合負(fù)載電流，可決定太陽能電池并聯(lián)數(shù)。
太陽能電池的輸出特性圖如圖1所示，太陽能電池的輸出伏安特性曲線是進(jìn)行系統(tǒng)分析的最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)之一。從圖1中可以看出，太陽能電池的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。
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圖1 太陽能電池輸出特性
在光伏系統(tǒng)中，負(fù)載的匹配特性決定了系統(tǒng)的工作特性和太陽電池的有效利用率。要想在太陽電池供電系統(tǒng)中得到最大功率，必須跟蹤日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負(fù)載阻抗的大小，從而達(dá)到陣列與負(fù)載的最佳匹配，該方法被稱為最大功率點(diǎn)跟蹤淵MPPT冤法。
2 小功率太陽能控制器
圖2為小功率太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)圖，蓄電池和太陽能電池陣列直接耦合， 當(dāng)白天有陽光時(shí)，太陽能電池陣列向蓄電池充電，當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時(shí)，蓄電池放電，保證負(fù)載不停電。
圖2 小功率太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)
對(duì)于小功率太陽能控制器而言，為節(jié)約成本，常用的控制方式為恒定電壓跟蹤淵CVT冤法，即通過合理選擇太陽電池的串并聯(lián)數(shù)，使陣列在最大功率點(diǎn)附近的運(yùn)行電壓近似于蓄電池的端電壓，即可獲得蓄電池和太陽電池方陣之間的電壓最佳匹配。
3 24V/5A太陽能控制器電路分析
圖3為24V/5A太陽能控制器主回路電路圖。該控制器采用單路旁路型充放電控制器形式，即MOSFET管S1并聯(lián)在太陽能電池陣列的輸出端，當(dāng)蓄電池端電壓充到均充電壓值時(shí)，S1進(jìn)入脈寬調(diào)制狀態(tài)，避免蓄電池過充。
圖3中Vin+和Vin-連接太陽能電池陣列的輸出，Vout+和Vout-連接直流負(fù)載，VB和GND連接鉛酸蓄電池的正負(fù)兩端。
圖3 太陽能控制器主回路電路圖
D1為“防反充二極管”，只有當(dāng)太陽能電池方陣輸出電壓高于蓄電池電壓時(shí)，D1才能導(dǎo)通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護(hù)”作用。
D2為“防反接二極管”，當(dāng)蓄電池極性接反時(shí)，D2導(dǎo)通，使蓄電池通過D2短路放電，產(chǎn)生很大電流，快速使保險(xiǎn)絲F1燒斷，起到“防蓄電池反接保護(hù)”作用。
MOSFET管S2為蓄電池放電開關(guān)，在鉛酸蓄電池放電時(shí)，從保護(hù)蓄電池的角度出發(fā)，當(dāng)蓄電池電壓小于“過放電壓”時(shí)，S2截止，切斷蓄電池和負(fù)載的回路，進(jìn)行“過放電保護(hù)”，避免電池放空，損壞蓄電池。當(dāng)太陽能電池陣列重新供電，只有當(dāng)蓄電池電壓重新升到浮充電壓時(shí)，S2才重新導(dǎo)通，接通負(fù)載回路。
需要指出的是，當(dāng)控制電路切斷負(fù)載回路后，控制電路仍然要消耗蓄電池能量，因此控制電路要盡量減少電子元器件以降低功耗。出于此目的，該電路采用PHILIPS公司的單片機(jī)P87LPC767作為CPU。該單片機(jī)是20引腳封裝的單片機(jī)，基本結(jié)構(gòu)與51系列兼容，適合于許多要求高密度、低成本的場(chǎng)合。其內(nèi)含4KB的OTP程序存儲(chǔ)器和128B的RAM，并且內(nèi)置4路8位A/D轉(zhuǎn)換器。尤其是工作在100kHz耀4MHz，電源電壓為3.3V時(shí)，其功耗電流僅為0.044耀1.7mA，非常適合蓄電池供電的系統(tǒng)。
受體積和成本的限制，以單片機(jī)為核心的控制電路電源直接通過蓄電池端電壓變換得來，該電路通過圖4中的LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器變換出單片機(jī)的電源電壓，控制電路與主回路共地。
圖4 單片機(jī)電源變換電路
LM317為三端可調(diào)正壓穩(wěn)壓器，其輸出電壓范圍為1.25耀37V，只需2個(gè)外接電阻即可設(shè)置輸出電壓。LM317的輸出端Vout和調(diào)整端adj之間提供1.25V的基準(zhǔn)電壓VREF，輸出電壓滿足式（1）。
由于LM317的輸入和輸出電壓差為40V，而對(duì)于24V的太陽能控制器，太陽能電池陣列的開路電壓有可能達(dá)到50V，為避免瞬間過壓，在LM317輸入端并接穩(wěn)壓管D13進(jìn)行保護(hù)。
圖5為單片機(jī)P87LPC767的管腳連接圖。電路中單片機(jī)的主要功能就是測(cè)量蓄電池端電壓，進(jìn)而控制S1和S2的導(dǎo)通狀況，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。由于P87LPC767自帶8位AD，單片機(jī)又與主回路共地，因此采用直接電阻分壓測(cè)量即可，即電路圖5中的VAD1。
圖5 P87LPC767管腳連接圖
當(dāng)該控制器負(fù)載為路燈時(shí)，應(yīng)具備光控功能，即有太陽光時(shí)，S2截止曰夜晚或陰雨天光線不足時(shí)，S2導(dǎo)通，路燈照明。由于光線不足時(shí)，太陽能電池陣列的輸出電壓下降顯著，因此可通過對(duì)其輸出電壓進(jìn)行分壓測(cè)量（VAD2），判斷光線情況，作為S2導(dǎo)通和截止的一個(gè)判斷依據(jù)。
P87LPC767使用P1.7（Fzs）和P1.6（PWM）作為兩個(gè)MOSFET的柵極控制信號(hào)。以S1的控制為例，當(dāng)P1.6輸出高電平時(shí)，MOS管S1導(dǎo)通，S1柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)vgs1被拉低，S1截止。如圖6所示。由于MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓不能超過20V，因此當(dāng)P1.6輸出為低電平時(shí)，V5截止，蓄電池電壓經(jīng)R9和R13分壓后產(chǎn)生S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。S1和S2在主回路中的連接方法可解決其驅(qū)動(dòng)共地問題。
圖6 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路
圖6 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，控制器還配置了蓄電池放電容量指示燈，如圖7所示。4個(gè)發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)蓄電池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767測(cè)量蓄電池端電壓后，根據(jù)其數(shù)值決定4個(gè)發(fā)光二極管的亮滅情況。需要指出的是，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，其端電壓與容量沒有直接關(guān)系，發(fā)光二極管的指示沒有實(shí)際意義，只有當(dāng)蓄電池放電時(shí)，其端電壓可以在一定程度上反映電池容量。
圖7 蓄電池容量指示驅(qū)動(dòng)電路
4 結(jié)語
提供了一套24V/5A太陽能控制器電路，其成本低廉且性能穩(wěn)定，具備廣泛推廣的價(jià)值。