温室大棚太阳能供电系统设计-solarbe文库

资源描述：

2006 年 8 月农机化研究第 8 期 - 109 - 温室大棚太阳能供电系统设计王钢 1，林火养 2，石玲 1（ 1. 哈尔滨工程大学机电学院，哈尔滨 150001 ； 2. 福建信息职业技术学院，福州 350003 ）摘要对温室大棚电子设备供电系统的要求进行了分析，得出太阳能电池供电方式的优势，进而提出了太阳能电池供电系统的设计方案，最后对太阳能供电系统进行了具体设计与实验，并给出了实验结果。关键词园艺学；太阳能供电系统；设计；温室大棚中图分类号 S625.3 ； TM 914.4 文献标识码 A 文章编号 1003 188X200608 0109 03 0 引言太阳能被称为绿色能源，一次投资可以长期使用。在农用温室大棚中，经常利用太阳能进行能源转化，变成热能后将热能导入土壤中的地热装置，用于寒冷气候条件下的温室蔬菜种植；也经常利用太阳能转化成电能储存在蓄电池中，主要用来带动水泵，进行热水循环、室内照明及其他方面用电。但是，太阳能供电系统设计是一个比较棘手的问题。笔者针对此问题，提出了一种新颖的设计电路。1 太阳能供电系统设计太阳能供电系统主要由太阳能电池、铅酸蓄电池、稳压电路、充电器、电池电量监测及弱光情况技术处理等 6 部分组成。其总体框图如图 1 所示。图 1 太阳能供电系统总体框图Fig.1 The total frame of the solar power supply system 1.1 太阳能电池的选择太阳能电池主要有单晶硅和双晶硅两种。单晶硅太阳能电池的转换效率高，但是加工工艺要求高，成本也高；多晶硅太阳能电池的转化效率低，成本较低。用户可以根据实际情况进行选择。选择太阳能电池的另一个依据是供电系统的功率。决定太阳能电池功率的主要参数是开路电压和短路电流。一般情况下，可以通过测试这两个参数来检验一块太阳能电池是否合格。1.2 蓄电池的选择一般来说，选择与太阳能电池相匹配的蓄电池应该从可靠性、使用寿命和容量等 3 方面来考虑。密封免维护铅酸蓄电池由于具有密封好、无泄漏、无污染、寿命长等优点，近年来在国内外得到广泛应用，所以本设计选用铅酸蓄电池。1.3 充电器的设计充电器的设计是整个太阳能供电系统的关键。由于充电技术不能满足免维护蓄电池的特殊要求或充电方法错误，使密封免维护铅酸蓄电池很难达到规定的循环寿命。充电器设计的主要难点是如何设定充电脉冲、控制充电电压和充电电流的变化。铅酸蓄电池的常规充电方式有两种，即浮充又称恒压充电和循环充电。浮充时，要严格掌握充电电压，如额定电压为 12V 的蓄电池，其充电电压应在 13.5 13.8V 之间。浮充电压过低，蓄电池将充不满，过高则会造成过量充电。电压的调定应以初期充电电流不超过 0.3CC 为蓄电池的额定容量为原则。循环充电时，其初期充电电流也不宜超过 0.3C ，充电的安培小时数要略大于放电安培小时数。也可先以 0.1C 的充电速率进行恒流充电数小时，当充电安培小时数达到放电安培小时数的90时，再改用浮充电压充电，直至充满。以上两种方式存在着一些不足之处。在充电过程中，电池电压逐渐增高，充电电流逐渐降低。由于恒压充电不管电池电压的实际状态如何，充电电压总是恒定的，充电电流刚开始比较大，然后按指数规律下降。采用快速充电可能使蓄电池过量充电，易导致电池损坏。对于循环充电而言，采用较收稿日期 2005-12-09 作者简介王钢（ 1969- ），男，黑龙江富锦人，副教授，（ E-mail ） wanggang_69163.com 。太阳能电池板弱光控制系统充电器密封铅酸蓄电池电池电量检测稳压输出2006 年 8 月农机化研究第 8 期 - 110 - R12V 5V VR JK5 3.83k 1.21k 8 7 6 5 9 3 20k 20k 20k 12U JK6 1 2 3 4 4 2 1 18 17 16 15 14 13 12 11 10 V LED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9LED10MCCE SYE LM3914 Rb1 RdOm RdAd1 R1d V- 6R 7R 8R 9C1UMTEA RKE LOW 50k 2 1 4RARBRCR1Q1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516UC2906 输入电池输入电压控制sR小电流充电效果较好。但对于大容量的蓄电池，充电时间就会拖得很长，时效低，造成诸多不便。为了避免产生上述问题，德州仪器生产了一款密封铅酸蓄电池专用的充电控制芯片 UC2906/UC- 3906 。它具有实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。更重要的是，它能使充电器各种转换电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封铅酸蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。使用 UC2906 只需很少的外部元器件就可以实现对密封铅酸蓄电池的快速精确充电。图 2 所示的是一个完整的充电器电路。由 AR , BR , CR 组成的电阻分压网络用来检测充电电池的电压，通过与精确的参考电压 REFV REF 相比较来确定浮充电压、过充电压和涓流充电的阈值电压。图 2 UC2906 的充电电路Fig.2 Charging circuit of UC2906 蓄电池的充电周期按时间可分为 3 种状态，即大电流快速充电状态、过充电状态和浮充电状态。其充电参数主要有浮充电电压 FV 、过充电电压 OCV 、最大充电电流 maxI 、过充电终止电流 OCTI 等。它们与 AR , BR , CR , SR 之间的关系式为//1 CABAREFOC RRRRVV 1 /1 BAREFF RRVV 2 Smax /25.0 RVI 3 SRVI /25.0OCT 4 OCF ,VV 和 REFV 成正比。其中， REFV 的温度系数是－ 3.9mV/ ℃, maxI , OCTI , FV , OCV 可以独立地设置。只要提供的输入电源允许或功率管可以承受， maxI 的值可以尽可能地大。虽然某些厂家宣称如果有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过 2C，但是电池厂商推荐的充电率范围是 C/20 ～ C/3 。 OCTI 的选择应尽可能地使电池接近 100充电，合适值取决于OCV 和在 OCV 时电池充电电流的衰减特性。 maxI 和OCTI 分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压与检测电流的电阻 SR 决定； FV 和 OCV 的值是由内部参考电压 REFV 与外部电阻 AR , BR , CR 组成的网络决定。由于只需很少的外部元器件就可以在很宽的温度范围内实现电池的精确快速充电，所以采用UC2906 简化了充电器的设计过程。1.4 稳压电路设计稳压电路对整个系统的精度起着决定性的作用。太阳能电池的输出电压是直流电压，波动范围不是很大，相对来说稳压电路的设计比较容易。但是对于太阳能供电系统，为了节省能量，对稳压电路的要求是尽量提高其转换效率。采用一般的稳压模块虽然成本比较低，但是其转换效率也低。所以，可以采用 DC-DC模块，其转换效率高，而且输入电压的范围比较广。有一点需要说明的是， DC-DC 模块的开关频率比较高，会产生一些高频的噪声，在其输出可以加上小电容来进行滤波、降噪。1.5 电池电量监测电路设计在此电路设计中加入电池电量以及供电方式的检测，是为了让维护的工作人员能够及时、准确地判断出系统电源的工作状态。电池电量监测是为了判断出蓄电池的电量，在这里采用了 10 段比较器LM3914 来实现。其具体电路如图 3 所示。图 3 电池电量监测电路Fig.3 Electricity inspecting circuit of battery 这个电路利用了电压比较原理来实现。电位器可调节比较器的输入电压到合适的值（ 0～ 5V），4R , 5R 用来设定一个单位的比较电压值。1.6 弱光情况处理在弱光情况下，太阳能电池的输出电压会比较低，总的输出功率也比较小。这时，如果按照前面所设计的电路，太阳能电池的输出电压达不到充电器所需的输入电压，电能无法被利用。为了把弱光时太阳能电池转换的能量利用起来，需要提高其输出电压。这可利用 LTC1977 宽范围电压调整模块来实现。它在从 3.3 60V 的输入电压范围内均可以获得稳定的电压输出，输出电压可以通过两个电阻设2006 年 8 月农机化研究第 8 期 - 111 - 2 1 2 1 C122U C2 C31500P R126k 1U C47 14 8 330P 15 4 6 2 9 10 13 12 16 C50.1U C60.1U L110UH R2866k C8100U/25V output R3100k C710P D110MQ100N D21N4148 Input 33 60V J 1WIN SHKN VC LTC1997 CT SYNC GND BOOST SW CSS BLAS PGF8 F8 PG J 2置在 2.5 12V 之间的任何一个值。其电路图如图 4 所示。图 4 弱光时电压提升电路Fig.4 Voltage upgrading circuit under poor light 图 4 中，二极管 1N4148 起防止电流导流的作用；继流二极管 10MQ100N起继流作用，防止 SW腿的电压过低； 2R 和 3R 的值决定了输出电压的值。2R 与 3R 间的关系式为nARVVRR5025.125.13OUT32 -一般取 k1003R ，只要确定了输出电压 OUTV ，就可以根据上面的公式计算出 2R 的值。2 实验结果基于以上的设计方法和步骤，根据实际需要设计出了一套太阳能供电系统。系统采用了单晶硅太阳能电池，型号为 18V40W；铅酸蓄电池采用了南都的密封免维护铅酸蓄电池 , 型号为 12V75W。根据实际需要，选择双 12V 和单 5V 的安时捷 D12S5-5W 型电源模块。其中，系统额定负载为 2W。整套系统通过实验运行 , 最终得到的实验结果为电池充满电以后，在没有太阳光的情况下，可以连续不间断地运行 300h ；在正常的太阳光照情况下，系统可经运行 1 周仍维持蓄电池的电量不变；系统在没有太阳光的情况下工作 3 天之后，通过 1天的太阳光照射，蓄电池电量能够很好地恢复到正常水平。3 结束语温室大棚太阳能供电系统考虑到了供电过程中的每一个细节，特别是对充电器和弱光情况下如何提高能量的利用率进行了深入的探讨和设计。通过实验证明，太阳能供电系统的设计符合温室大棚的供电需求。参考文献 [1] 杨金焕 , 盛卫东 , 姚必正 . 用太阳能作户外分段断路器操作电源的研究 [J]. 华东电力 ,2003,314 34-36. [2] 宿昌厚 . 户外太阳电池发电方阵实际工作温度的测定 [J]. 太阳能学报 ,1992,134412-415. [3] 彭和平 , 江正战 . 智能型铅酸蓄电池充电器的设计与实现 [J]. 电子技术应用 ,20011210-13. [4] 何希才 . 新型开关电源及其应用 [M]. 北京人民邮电出版社 ,1996. [5] 高怀军 . 密封式铅酸蓄电池的使用与维修 [J]. 电子报合订本 ,199657. [6] Ajmal Godil. 能够选择快充或慢充的充电器 [J].电子设计技术 ,1999,25145. Design of Solar Power Supply System for Greenhouse WANG Gang 1, LIN Huo-yang 2, SHI Ling 11.Electro-mechanical School, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Fujian Information Vocational Technology University, Fuzhou 350003, China Abstract The demand for the power supply system of the open electronic equipment is analyzed, to obtain the advantages of the solar battery power supply mode. Therefore, the designing project for the solar battery power supply system is put forward, and its concrete design and experimental results are given in this paper. Key words gardening; solar power supply system; design; greenhouse