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摘 要：太阳能作为一种高效无污染的天然能源，必将成为未来常规能源的一种重要的替代品。本文介绍了一种小功率太阳能光伏交流发电系统的设计。系统由太阳能电池板模块、充放电控制电路、液晶显示电路、蓄电池、逆变控制电路组成，实现了太阳能转化为直流电能，并通过充放电控制器控制蓄电池充放电，逆变控制模块把直流电流逆变为220V±5V、50±2HZ的交流电。经测试，本系统实现了设计性能指标。
关键词：太阳能；光伏发电；充放电控制；逆变
中图分类号：TM615
能源是经济、社会发展和改善人民生活的重要物质，能源问题是一个国家发展的关键[1，2]。石油、煤炭资源的减少，环境污染问题的日益严重，使得发展新能源和可再生能源刻不容缓。太阳能是丰富的可再生能源，充分利用太阳能可以保持人与自然的和谐发展。人类早期对太阳能的利用主要是光和热，光伏发电技术的兴起为太阳能的应用开辟了广阔的前景，受到各国政府的重视，自90年代以来，太阳能光伏发电广泛应用于航空航天、通讯、交通和偏远地区的居民用电等。近年来，太阳能光伏发电始终保持30%-40%的年增长量，被誉为全世界增长最快的能源。在不远的将来太阳能光伏发电将会成为世界首要消费能源。对比国际光伏发展的大环境，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率[3]，因此，开展光伏发电研究项目，拉动我国光伏产业快速发展事在必行。
1 硬件系统设计
本文设计的小功率太阳能光伏交流发电系统由太阳能电池板模块、蓄电池、充放电控制电路、液晶显示电路、逆变器电路组成。太阳能电池通过光生伏打效应将光能转换成直流电能，充放电控制器控制直流电能对蓄电池充电和蓄电池对外放电，并对电池电压、输出电流进行测量，送出显示，同时充放电控制器还控制蓄电池的过放，过流保护以及过放、过流恢复。蓄电池输出的直流电流通过逆变器和工频变压器得到220V±5V、50±2HZ的交流电，为负载供电[4]，系统组成原理图如图1所示。
图1 系统组成原理图
单晶硅太阳能电池是按一定结构排列的P-N结，根据光生伏打效应的原理，将光能量转换成电能。充放电控制器的核心器件为蓄电池充电控制芯片UC3906和单片机STC12C5410AD。由文献[5，6]可知，UC3906内置有电压、电流检测与比较电路，以及独立的电压控制回路和限流电路，具有蓄电池最优充电需要的控制和检测功能，充电过程分为大电流充电、恒压充电、浮充充电，与理想的蓄电池充电曲线相近[7]，UC3906充电状态曲线如图2，更为特殊的是它的充电特性受温度系数的影响与蓄电池一致。UC3906控制电路设计如图3所示。
图2 UC3906充电状态曲线
STC12C5410AD除具备一般单片机的功能外，还内置有八路AD，STC12C5410AD利用内置的ADC对蓄电池电压、充放电控制器输出电流测量并送出显示，同时，对电池电压和输出电流进行监测，当出现过放、过流时，STC12C5410AD控制输出继电器关闭；当电池电压和输出电流恢复正常后，又重新启动输出继电器，这样可以保护蓄电池，过流、过放在系统设计时设计有相应的指示灯指示和蜂鸣器报警。
图3 UC3906控制电路
液晶显示电路主要采用基于ST7920控制器的液晶模块SMC1602A及相应的简单电子器件构成，其中，液晶SMC1602A具有16条口线，具有可选择的4位、8位位流处理能力，采用4或8位并行数据传送，传送速度快，功耗相对较低，能满足系统设计要求。逆变器由集成SPWM逆变芯片EG8010、IR2110驱动电路[8]、全桥逆变电路、工频变压器构成。驱动全桥电路设计如图4所示。全桥逆变电路开关管型号为IRF3205，耐压值55V，电流110A，IRF3205内阻小，因而开关管自身损耗较低。
图4 驱动、全桥电路
2 系统软件设计
本系统程序流程如图5所示，采用C语言设计程序。编程思路为：利用STC12C5410AD内置的两路10位ADC分别实时监测蓄电池电压和充放电控制器放电电流，除了对测量的电压与输出电流的结果送出显示，还根据测量结果控制输出继电器开关并给出报警信号，从而保护蓄电池。
图5 系统程序流程图
3 系统测试
3.1 充放电控制器测试
表1 充放电控制器的测量数据
表1所示参数说明充电电流与太阳能电池短路电流相近，正常充电时此太阳能光伏交流发电系统能充分地利用太阳能电池的功率。系统的充电效率高，平均可达90%以上，充电损耗主要来自电流检测电阻、晶体管、整流二极管。采用低导通压降的晶体管和整流二极管，可有效减小损耗。
3.2 逆变器参数与功能检测
测试方法：观察输出波形时，使用两根衰减10X的示波器探头串联，并在示波器中设为20X的衰减率；电压、电流均采用数字万用表直接测量；切换负载开关选择改变负载，分别测量并记录数据。不同负载下的输出波形如图6、7。
图6 空载时的输出波形图
图7 负载为5W节能灯的输出波形图
表2 不同负载条件下逆变器的参数
由图6、7的波形及表2中的数据总结如下：随着负载增大，逆变器输出波形稳定，没有发生明显畸变，频率变化量为0.1HZ，高于设计要求的50±2HZ，逆变转换效率增高，但电压下降幅度偏大，输出功率超过15W时已不能满足220±5V的设计要求。
4 结束语
本文介绍了一种小功率光伏交流发电系统的设计，并对所设计的电路进行了功能、性能测试，经测试设计系统性能指标基本达到设计要求，具有电流、电压实时显示，过放、过流保护及恢复、反接、短路保护，过充保护等功能，在输出功率不超过15W时，逆变输出的正弦波畸变小，电压、频率稳定，逆变效率可接近88%。
参考文献：
[1]杨金焕，陈中华.21世纪太阳能发电的展望[J].上海电力学院学报，2001（04）：23-28.
[2]李芬，陈正洪等.太阳能光伏发电的现状及前景[J].水电能源科学，2011（12）：188-192.
[3]周志敏，纪爱华.太阳能LED照明技术与工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2011：70-73.
[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2009：3-3.
[5]路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[D].北京：北京信技术学院，2006.
[6]李兵.基于UC3906的免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计[D].安徽：安徽农业大学，2005.
[7]杨振华.铅酸蓄电池知识培训资料[D].陕西：陕西凌云蓄电池厂，2006.
[8]刘风君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002：8-11.
作者简介：陈忠进（1986-），男，江苏海安人，硕士研究生，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究；通信作者：吴艳（1980-），女，湖北天门人，博士，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究。
作者单位：广西科技大学电气学院，广西柳州 545006
基金项目：广西科技大学博士基金项目：院科博11Z08。
关键词：太阳能；光伏发电；充放电控制；逆变
中图分类号：TM615
能源是经济、社会发展和改善人民生活的重要物质，能源问题是一个国家发展的关键[1，2]。石油、煤炭资源的减少，环境污染问题的日益严重，使得发展新能源和可再生能源刻不容缓。太阳能是丰富的可再生能源，充分利用太阳能可以保持人与自然的和谐发展。人类早期对太阳能的利用主要是光和热，光伏发电技术的兴起为太阳能的应用开辟了广阔的前景，受到各国政府的重视，自90年代以来，太阳能光伏发电广泛应用于航空航天、通讯、交通和偏远地区的居民用电等。近年来，太阳能光伏发电始终保持30%-40%的年增长量，被誉为全世界增长最快的能源。在不远的将来太阳能光伏发电将会成为世界首要消费能源。对比国际光伏发展的大环境，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率[3]，因此，开展光伏发电研究项目，拉动我国光伏产业快速发展事在必行。
1 硬件系统设计
本文设计的小功率太阳能光伏交流发电系统由太阳能电池板模块、蓄电池、充放电控制电路、液晶显示电路、逆变器电路组成。太阳能电池通过光生伏打效应将光能转换成直流电能，充放电控制器控制直流电能对蓄电池充电和蓄电池对外放电，并对电池电压、输出电流进行测量，送出显示，同时充放电控制器还控制蓄电池的过放，过流保护以及过放、过流恢复。蓄电池输出的直流电流通过逆变器和工频变压器得到220V±5V、50±2HZ的交流电，为负载供电[4]，系统组成原理图如图1所示。
图1 系统组成原理图
单晶硅太阳能电池是按一定结构排列的P-N结，根据光生伏打效应的原理，将光能量转换成电能。充放电控制器的核心器件为蓄电池充电控制芯片UC3906和单片机STC12C5410AD。由文献[5，6]可知，UC3906内置有电压、电流检测与比较电路，以及独立的电压控制回路和限流电路，具有蓄电池最优充电需要的控制和检测功能，充电过程分为大电流充电、恒压充电、浮充充电，与理想的蓄电池充电曲线相近[7]，UC3906充电状态曲线如图2，更为特殊的是它的充电特性受温度系数的影响与蓄电池一致。UC3906控制电路设计如图3所示。
图2 UC3906充电状态曲线
STC12C5410AD除具备一般单片机的功能外，还内置有八路AD，STC12C5410AD利用内置的ADC对蓄电池电压、充放电控制器输出电流测量并送出显示，同时，对电池电压和输出电流进行监测，当出现过放、过流时，STC12C5410AD控制输出继电器关闭；当电池电压和输出电流恢复正常后，又重新启动输出继电器，这样可以保护蓄电池，过流、过放在系统设计时设计有相应的指示灯指示和蜂鸣器报警。
图3 UC3906控制电路
液晶显示电路主要采用基于ST7920控制器的液晶模块SMC1602A及相应的简单电子器件构成，其中，液晶SMC1602A具有16条口线，具有可选择的4位、8位位流处理能力，采用4或8位并行数据传送，传送速度快，功耗相对较低，能满足系统设计要求。逆变器由集成SPWM逆变芯片EG8010、IR2110驱动电路[8]、全桥逆变电路、工频变压器构成。驱动全桥电路设计如图4所示。全桥逆变电路开关管型号为IRF3205，耐压值55V，电流110A，IRF3205内阻小，因而开关管自身损耗较低。
图4 驱动、全桥电路
2 系统软件设计
本系统程序流程如图5所示，采用C语言设计程序。编程思路为：利用STC12C5410AD内置的两路10位ADC分别实时监测蓄电池电压和充放电控制器放电电流，除了对测量的电压与输出电流的结果送出显示，还根据测量结果控制输出继电器开关并给出报警信号，从而保护蓄电池。
图5 系统程序流程图
3 系统测试
3.1 充放电控制器测试
表1 充放电控制器的测量数据
表1所示参数说明充电电流与太阳能电池短路电流相近，正常充电时此太阳能光伏交流发电系统能充分地利用太阳能电池的功率。系统的充电效率高，平均可达90%以上，充电损耗主要来自电流检测电阻、晶体管、整流二极管。采用低导通压降的晶体管和整流二极管，可有效减小损耗。
3.2 逆变器参数与功能检测
测试方法：观察输出波形时，使用两根衰减10X的示波器探头串联，并在示波器中设为20X的衰减率；电压、电流均采用数字万用表直接测量；切换负载开关选择改变负载，分别测量并记录数据。不同负载下的输出波形如图6、7。
图6 空载时的输出波形图
图7 负载为5W节能灯的输出波形图
表2 不同负载条件下逆变器的参数
由图6、7的波形及表2中的数据总结如下：随着负载增大，逆变器输出波形稳定，没有发生明显畸变，频率变化量为0.1HZ，高于设计要求的50±2HZ，逆变转换效率增高，但电压下降幅度偏大，输出功率超过15W时已不能满足220±5V的设计要求。
4 结束语
本文介绍了一种小功率光伏交流发电系统的设计，并对所设计的电路进行了功能、性能测试，经测试设计系统性能指标基本达到设计要求，具有电流、电压实时显示，过放、过流保护及恢复、反接、短路保护，过充保护等功能，在输出功率不超过15W时，逆变输出的正弦波畸变小，电压、频率稳定，逆变效率可接近88%。
参考文献：
[1]杨金焕，陈中华.21世纪太阳能发电的展望[J].上海电力学院学报，2001（04）：23-28.
[2]李芬，陈正洪等.太阳能光伏发电的现状及前景[J].水电能源科学，2011（12）：188-192.
[3]周志敏，纪爱华.太阳能LED照明技术与工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2011：70-73.
[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2009：3-3.
[5]路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[D].北京：北京信技术学院，2006.
[6]李兵.基于UC3906的免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计[D].安徽：安徽农业大学，2005.
[7]杨振华.铅酸蓄电池知识培训资料[D].陕西：陕西凌云蓄电池厂，2006.
[8]刘风君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002：8-11.
作者简介：陈忠进（1986-），男，江苏海安人，硕士研究生，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究；通信作者：吴艳（1980-），女，湖北天门人，博士，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究。
作者单位：广西科技大学电气学院，广西柳州 545006
基金项目：广西科技大学博士基金项目：院科博11Z08。