光伏发电家用太阳能系统说明书.doc

光伏发电家用太阳能系统设计说明书
设计者：白淼淼，安震，韩广超，刘晶，梁国强，王丽杰，魏巍，
指导教师：陈洁
（德州学院，机电工程系，德州，253023 ）

作品内容简介

进入21世纪以来，随着人类社会文明的进步和世界经济的飞速发展，能源问题日益凸显，制约着各国经济的可持续发展。在中国，随着社会主义市场经济的快速发展，对化石类能源的消费位居世界前列，能源供需矛盾日益剧烈。因此在新形势下，要解决中国的能源短缺问题，实现经济、社会和环境的可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用太阳能等新型能源。哥本哈根会议的召开更进一步推动了中国光伏产业的发展。
目前，已安装的家庭光伏设备太阳能利用效率低下，对蓄电池充电模式单一，造成蓄电池使用寿命大大缩短，采用工频变压器设备体积较大，不利于携带，逆变出来的220V交流电正弦波形失真系数大，对电机类的负载损耗严重。
首先，本设备采用太阳能电池板、蓄电池多点采样比较，以决定蓄电池的充电模式。保证了蓄电池的正常使用寿命，增加系统的使用时间。
其次，该系统配有Boost升压电路，将太阳能电池板输出的低于14V的电压进行升压，提高太阳能的利用率，降低使用成本。输出端采用两次逆变技术，保证输出正弦交流电压的幅值和波形达到设计要求，从而保证电机类负载的正常运转。
第三，采用高频开关电源，提高了系统效率，减小了设备的重量，为实现设备的便携化提供了条件。
综合上述分析，设备即能节约能源，又能减少污染；即可以让光伏发电走进千家万户，又可以应用在边关哨所，还可以解决地震等自然灾害引起的电力短缺问题。根据市场调查，该设备的市场潜力“可以期待”。

联系人：白淼淼
联系电话：[phone]
EMAIL：810713972@

1 研制背景及意义
能源对全球经济发展和社会进步起着举足轻重的作用。石油、煤炭、天然气等化石能源价格飚升及全球气候变迁导致的气候灾难如全球气温的持续上升，极端气候现象的增加，自然灾害的频发等已经威胁到人类的生存和安全，减少二氧化碳排放、减缓气候变暖，维护人类共同生存的生态环境，已经成为社会各个层面共同努力的方向。在这种背景下，人们对低碳经济这一概念逐渐形成共识。而低碳发展的主要技术选择，除了改变经济发展模式、大幅度提高能源效率之外，就是大力发展以太阳能为代表的低碳能源技术。
太阳能行业是一个包括光热、光伏光电的巨大产业。由于技术的进步，太阳能产业的商业化前景看好，未来10年甚至50年内，太阳能产业的年增长速度高达30-40%。2010年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。
但是目前投入使用的家庭光伏发电设备，维护困难，体积较大，使用寿命短，而且对太阳能的利用效率不高。不能使一般家庭使用上高品质、价格低的太阳能。而本设计基于这种背景下所研制的家庭太阳能光伏系统可以实现降低太阳能的使用成本，提高太阳能的使用效率，减小设备体积，实现太阳能系统的便携性。
2 设计方案
2.1 电池板安装

图一 电池板部分结构设计
本设备的电池板的安装包括三种方式，有家庭型、移动型、便携型。三种型号可根据用户需求进行选择。其中家庭型的适用于独立的光伏供电系统，最大程度的利用房屋面积来收集太阳能，使之转化为电能储存在蓄电池中供给家庭日常生活的使用；移动型适用于可移动的使用场合，能够及时提供电能供给负载应用；小型的太阳能系统是为满足外出旅游、短时应急等户外对电能的需求而设计的。这三种型号的太阳能系统都是使用原理相同的电路结构只是在负载的承受能力等方面有所差别。

2.2 太阳能控制器设计
2.2.1 电平转换电路的设计
太阳能电池板属于光伏设备，它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电压也是不稳的。在光照条件良好、温度适宜的情况下单块电池板产生的电压可以达到20V。但是在阴雨天等光照条件不佳时电池板输出的电压只有10V左右，不能满足太阳能控制器的正常使用。所以我们设计了Boost升压的电路和 Buck降压电路。当太阳能电池板的电压发生波动时两块电路实时的切换保证太阳能控制器能够正常工作，提高了太阳能的使用效率。

2.2.2 充电检测电路的设计
太阳能电平转换电路输出的电流不能直接输入蓄电池，这样会大大减小蓄电池的正常使用寿命。因此本设备将蓄电池采样的信息和太阳能电池板端采样的信息进行比较再决定对蓄电池充电的充电模式。然后，电平转换电路的输出送入充电电路、检测电路，充电电路根据蓄电池的端电压和负载的需求来调节控制器输出的电流和电压。

2.3 逆变电路的设计
逆变升压电路的输入是由蓄电池的输出提供的，由于在使用过程中蓄电池的电压输出不是稳定的12V，因此在逆变升压电路中需要升压芯片能够根据蓄电池的电压来确定自身工作的占空比。因此本设计选用美信公司的TL494来作为逆变升压电路的主要芯片。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494驱动IRF3205进行推挽换流将蓄电池的输出电压转变成为12V的交流电进行升压。

2.4升压—整流电路的设计
升压环节中用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在高频的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。高频变压器的设计首先应该从磁芯开始。逆变变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用。

逆变电路输出电压是12V的交流电，为了减小电路中升压电路电压损耗，所以本设备采用的高频的变压器进行升压。高频变压的升压频率为20KHz，本设备的设计目标是为一般的家庭使用。所以最后的输出功率为200W，根据设备的便携性和整个系统的重量，选择EI-40型变压器作为整个设备的变压器，整流电路为整流桥电路，输出电压为350V的直流电。

2.5正弦逆变电路的设计

正弦逆变调制电路是整个设备的重点，整流电路输出的电压是稳定的350V直流电，为得到正弦波，我们所选用SPWM（即脉宽调制）调制，在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，PWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决定的。本设备所选用的SPWM调制芯片是美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出的SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。 SG3525按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，本设备选用的基准波为工频50Hz的正弦波。在脉冲间隔上为了尽可能得到失真率小的正弦波，所选用调制的频率为40KHz。

2.6 整个系统保护电路的设计
2.6.1 蓄电池保护电路的设计

蓄电池在整个设备中起着储存电能的作用，因此保护蓄电池使其稳定的工作是至关重要的。蓄电池保护电路包括:
1、 充电保护
电池电压超过了终值充电电压时，电池就会产生氢气和氧气并打开阀门放气。大量的析气必将导致电解液的失水损失，并且电池也不可能完全充满此时，检测电路中粘贴在蓄电池表面的温度传感器将蓄电池的温度转换为电信号，反馈到电路中。保证控制不超过终值充电电压为条件，逐步减少充入电流至涓流状态，有效地控制蓄电池内部的氧循环复合和阴极析氢过程，最大程度的防止了蓄电池的容量衰减性老化。
2、放电保护
当电压达到设定的最低放电电压时，采样电阻将电压信号反馈给比较器，通过比较器来控制继电器的关断来切断负载来保护电池不被过度放电。当太阳能电池板对蓄电池的充电达到控制器设定的再次启动电压时，负载才会被再次接通。
3、过流保护
在蓄电池的回路间串联了一个保险丝，当电流过大负载需求的功率过高时，有效对蓄电池进行过流保护。

2.6.2 逆变保护电路的设计

逆变电路的保护电路是将采样电路设置在逆变电源的输入端，当电源取样系统发生故障时，采样用到的5V基准电压升高，或因负载短路而降低时，死区时间控制引脚大于5V，使输出脉冲关断，电源保护，将导致各组无输出。

3 理论设计计算
3.1 充电环节升压／降压电路的理论计算

图二 Boost升压电路
本设备所采用的升压电路是Boost升压电路是一种开关直流升压电路，它能够输出电压比输入电压高。基本电路图见图二。假定MOS管已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容C1电压等于输入电压。MOS管导通时输入电压流过电感。二极管D1防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感L1上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。MOS管截止时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。
设计时所使用的主要参数：
输入电压：Vi、输出电压：Vo、输出电流： Io、输出纹波：Vpp、工作频率：f、电感：L、占空比：don、初始电流：I1、峰值电流：I2、线圈电流：Irms、输出电容：C、电流的变化：deltaI、整流管压降：Vd
1：占空比
稳定工作时，每个开关周期，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少，即

整理后有：

2电感量
先求每个开关周期内电感初始电流等于输出电流时的对应电感的电感量其值为

整理后有：

当电感的电感量小于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加变化较明显，当电感的电感量大于此值Lx时，输出纹波随电感量的增加几乎不再变小，由于增加电感量可以减小磁滞损耗，另外考虑输入波动等其他方面影响，取大一些，

3：输出电容：
本模块输出电容选择为陶瓷电容，故 ESR可以忽略

4：磁环，线径，线圈的选择：
查找磁环手册选择当峰值电流达到I2时磁环不饱和时，合适的磁环：

按Irms及工作频率选择线径。

图三 Buck降压电路
本设备降压电路所采用的是Buck电路，当MOS管Q1导通时的电压降Vce=Vsat，续流二极管D2导通时的正向压降为Vd，储能电感L上的最小电流=0A，A1为开关管Q1导通时间占空比，A2为开关管Q1断开时间的占空比，A1、A2均小于1，T为周期。当开关管Q1导通时，流过电感线圈L1电流线性增加，电能以磁场能量的形式存储在电感线圈L1中。此时，对电容C进行充电。当开关管Q2断开时由于电感线圈L中的磁场将改变电感线圈两端的电压极性，以保持电感电流不变这样电感线圈L中的磁能将转换成电压，将向电容C和负载供电，电感电流的增量为：

各项参数的确定参照Boost升压原理中参数的计算公式。
3.2 逆变电路的理论计算

图四 TL494升压电路
本设备对蓄电池出来的电压采用高频推挽换流电路进行升压，升压芯片TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

本设备的开关电源的频率定为20KHz，所以定时器电阻为2.5K定时电容为103pf。输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号基准信号外接C19、C20、C21、R11组成的频率校正网路，以防止放大器发生自激。

3.3 输出端升压电路的理论计算
高频变压器的设计通常采用先求出磁芯窗口面积与磁芯有效截面积的乘积（=×，称磁芯面积乘积），根据值，查表找出所需磁性材料之编号的方法。
设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。同时在瞬变过程中，高频变压器的漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。

图五 升压电路
根据上述要求，我们设计了使用EI-40骨架的高频变压器。初级线圈1.0mm的四线并绕，四圈绕两层，次级使用0.38的漆包线双线并绕88圈。然后经过高高频的整流桥将有效值为350V的直流电压送给下一级使用。

3.4 纯正弦逆变电路的理论计算

图六 纯正弦逆变
要得到正弦电压的输出，就要使逆变电路的控制信号以SPWM方式控制功率管的开关，所得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出电压。通过SG3525实现输出正弦电压，首先要得到SPWM的调制信号，而要得到SPWM调制信号，必须有一个幅值在l～3.5V，按正弦规律变化的双半波，将它加到SG3525脚2，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波，实现SPWM的控制。双半波的产生是由TL8038精密波形产生器产生的一个50HZ的正弦波，经过全桥精密整流电路，滤出双半波。

4 工作性能分析

升压电路和降压电路使用外围电路少，损耗低，主要的损耗来源是由开关管的损耗和二极管的压降造成的，而我们所使用的二极管为低压降的肖特基二极管会产生大约0.6V的压降比其他的二极管的压降低0.5～1V，达到节能的目的。

5 创新点及应用
5.1 升压电路的使用

本设备所使用的升压电路是现有太阳能控制器中所没有的，升压电路大大提高了太阳能的利用率。实现了太阳能系统的真正的节能减排。

5.2 SG3525的使用

本设备采用的是纯正弦逆变电路，使电路输出了高品质的50Hz220V的正弦交流电，保护了电机类的用电器。

5.3 便携式的光伏系统

家用便携式光伏系统采用的是高频开关电路，是系统的整体能耗降低，减小了设备体积。使真正便携式的太阳能电源成为可能，同时设备可折叠，为向灾区、边关哨所等不利于使用电能的场所快速投送设备成为可能。

参考文献

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