太陽能不間斷式供電設備的設計與制作

本設計的創(chuàng)新之處在于：
其一，采用簡單實用的電路實現步進充電方式，即在充足的太陽光下，一個蓄電池充 電電流大于另一個蓄電池的充電電流，以實現先對一個蓄電池充電，充滿電荷后自動地再對下一個蓄電池進行充電，這相當于兩個蓄電池輪流地被充電，這不僅充分 利用了單位面積的太陽能，也大大增加了蓄電池的使用壽命，這樣在同等負荷的情況下，可降低對太陽能電池板功率的要求，從而降低了工程的造價；
其二，設計出一種太陽能與市電供電自動切換系統，以彌補數日綿綿陰雨太陽能供不上電的缺陷，做到不間斷式的居家供電目的。
一、設計原理及電路分析
電路由步進充電電路、太陽能供電與市電供電自動切換電路和路燈控制與照明電路三大部分組成，如下圖所示。該電路結構簡單、內涵豐富，電路工作穩(wěn)定可靠。
1．步進充電

電 路如下圖所示，太陽能電池板的輸出引線從CK插座接入，依據I=(U-E1.2)／R1.2，其中I為各支路充電電流，U為太陽能電池板帶載輸出的端電 壓，E1，E2分別為蓄電池El、E2上的電壓，在兩個蓄電池原始電壓相同的情況下，蓄電池El的充電電流I1是蓄電池E2的充電電流I2的10倍；顯 然，El蓄電池的充電電壓的初始速度比蓄電池E2充電電壓的初始速度大得多，相當于太陽能電池板先對蓄電池El進行充電，隨著充電過程的不斷產生，蓄電池 El上的電壓也在不斷地增加，使得蓄電池El上的電壓逐漸趨于飽和，同時蓄電池E1的充電電流I1在逐漸地減少，當蓄電池El上的電壓充到接近于額定值 時，蓄電池El的充電電流I1也就趨近于零，此時可認為蓄電池El的充電過程基本結束。

當 太陽能電池板對蓄電池El充電的同時也對蓄電池E2充電，只不過蓄電池E2電壓上升的速度比蓄電池El電壓上升的速度要慢得多，當蓄電池El充電過程基本 結束后，相當于充電負載減輕，依據(U=E-I×r)，U為太陽能電池板帶載輸出的端電壓，E為太陽能電池板所提供的電壓源電壓，I為回路充電的總電 流，r為太陽能電池板的內阻，此時太陽能電池板帶載輸出的端電壓U會回升，從而加快了太陽能電池板對E2的充電速度，即加快了蓄電池E2上的電荷的累積速 度，當歷經r若干時間后，蓄電池E2上的電壓也充到接近于額定值時，蓄電池E2的充電電流I2也趨近于零；同理，此時也可認為蓄電池E2的充電過程基本結 束。當兩個蓄電池充電過程基本結束后，此時若仍有太陽光存在，雖然說充電電流都趨近于零，當仍有微小的充電電流在流動，充電過程仍在延續(xù)，只不過此時蓄電 池上電荷累積的速度變得異常緩慢，其目的不僅不浪費資源，而且有利于延長蓄電池的使用壽命。

D1、D2是隔離二極管，其作用是阻止兩個蓄電池互相充電，形成不必要的內耗、提高供電系統的效率。
太陽能充電電路的等效圖如下圖所示，根據基爾霍夫定律，得出下列充電回路的電壓與電流方程如下式：

I=I1+I2 (1)

I1=(E-E1-VD1-Ir)/(R1+r1) (2)

I2=(E-E2-VD2-Ir)/(R2+r2) (2)

其 中I、I1、I2分別為太陽能電池板E充電回路的總電流、蓄電池El回路充電電流、蓄電池E2回路的充電電流，r、R1、r2分別為太陽能電池板、蓄電池 El、蓄電池E2的內阻，蓄電池的內阻隨著電壓的升高而減少，R1、R2為充電回路的限流電阻，VD1、VD2為二極管D1、D2的正向壓降，設為 0.7V，太陽能的峰值電壓取15.1V，無論是El還是E2，經理論推算與實踐驗證獲悉，只要當蓄電池上的電壓充到約13.8V時，該充電回路的電流急 劇減少，且趨近于零；若El=13.8V，r=6Ω，r2取2Ω，則從上述方程可知：

經 計算后獲悉，當E1充滿電荷后，E2才充到8.6V，隨著E2電壓的逐漸升高，充電電流I2在減少，同時又有微弱的Il充電電流在流動，這有利于延長蓄電 池的使用壽命。但無論El、E2充電電壓如何的升高，根據式(2)、(3)式知，El、E2的電壓峰值都控制在14.4V內。其理由緣至二極管D1、D2 具有單向導電性。
則Il=(E-El-VD1-Ir)≥0,12=(E-E2-VD2-Ir)≥0因此，El,E2≤15.1-0.7-I.r=14.4-I.r=14.4(V)由于14.4V為12V蓄電池極限所承受的電壓值，故有效地保護了蓄電池。

2．太陽能與市電供電自動切換電路
用CMOS反相器構成的施密特觸發(fā)器如上圖所示，其電路的同相電壓傳輸特性如下圖所示，電路設計時參數設定：正向閥值VT+=7V，負向閥值VT=-3V，確定可變電阻器RP1與電阻器R5的值。

從上式兩式解出RP1/R5=2/5，V1H=SV，那么VDD取10V。
為保證G6輸出高電平時的負載電流不超過最大允許值IOHmax應使(VOH-VTH)／R5(10-5)/1.3=3.85(kΩ)故取R5=20kΩ，RP1=2.R5/5=8(kΩ)。實際取RP1為15kΩ可調電位器。
當 有太陽光照的情況下，太陽能電池板對蓄電池進行充電，照明電路電源由蓄電池供給；當連續(xù)數天陰雨綿綿時，無太陽光對蓄電池進行充電，蓄電池上的電荷逐漸被 消耗掉，導致蓄電池的端電壓逐漸降低，引起非門電路c5的輸入端電壓降低，當低到與負向閥值（VT_=3V）電壓相等時，施密特觸發(fā)器翻轉，G5輸出高電 平，G6輸出低電平（同相輸出），經G7倒相輸出高電平，單向可控硅VS1導通，220V市電電壓經變壓器T降壓，二極管(D7～D10)整流、C5濾波 后，再經LM7809穩(wěn)壓，形成9V的直流電壓對照明電路進行供電。同時，造成二極管D3、D4反偏而截止，蓄電池El、E2向負載供電回路被切斷。
同 理，當陽光來臨時，蓄電池立即被充電，蓄電池上的電壓不斷的上升，當升到11V時，即G1輸入端的電壓與正向閥值(VTF7V)相同，施密特觸發(fā)器再次翻 轉，單向可控硅VS1截止，市電被切斷，供電電路轉而由蓄電池提供。如此，周而復始地進行著，構成了以太陽能為主，市電為輔的居家不間斷式供電系統。

3．路燈控制與照明電路
白天，光敏電阻受到光照而使電阻變小，與非門電路C1輸入端為低電平，經兩次（與非）倒相后，C2輸出端為低電平，D6截止，C3輸入端為低電平，再經兩次（與非）倒相后，G4輸出端亦為低電平，單向可控硅VS2截止，燈HL1熄滅。
夜 晚，光敏電阻RG未受到光照而阻值變大，但由于三極管BG在本電路所設置的參數下，是處于導通狀態(tài)，三極管BG集電極（G1輸入端）仍處于低電平，單向可 控硅VS2仍處于截止狀態(tài)，燈HL1熄滅；當有人觸摸TP觸點或說話時，人體感應的信號或音頻信號經三極管BG放大后，在R10上形成信號電壓，導致瞬間 三極管集電極為高電平，同理，經兩次（與非）倒相后，G2輸出端為高電平，D6導通，對C3充電，G3輸入端為高電平，再經兩次（與非）倒相后，G4輸出 端亦為高電平，單向可控硅VS2導通，燈HL1被點亮。當人體觸摸TP觸點動作或說話聲音過后，三極管BG集電極（G1輸入端）恢復到低電平，C2輸出端 亦為低電平，電容C3對R1l放電，當C3的電壓放電到低電平值時，G3、CA與非門狀態(tài)翻轉，單向可控硅VS2截止，燈HL1才熄滅（按圖1中所示，電 路中所標元器件的參數值，燈點亮持續(xù)時間約2.5min）。
室內照明電路，開關(SW1、SW2、SW3)，Xl’(HL2、HL3、KIA)構成室內照明電路，人們可通過控制開關的通與斷，來實現電燈的亮與暗。
二、電路調整
本 電路結構簡單，無需太多的調整就可實現。但有一點需提醒的是，何時由蓄電池供電，何時由市電供電，這應由太陽能電池板、蓄電池的容量等綜合因數來決定。本 電路電源電壓VDD是隨著蓄電池上電壓等變化而變化。因此，還必須通過調整可變電阻器RP1及電阻R4的阻值，使得蓄電池上的電壓當低于8.5V時，轉為 市電供電；當高于11V時，又轉為蓄電池供電。

三、元器件選擇
傳統的燃料能源正在一天天減少， 對環(huán)境造成的危害日益突出。豐富的太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達 8×l05kW，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，且轉化率只有5%，那么，每年發(fā)電量可達5.6×1012kW．h，相當于目前世界上能耗的 40倍。因此，研究和利用太陽能意義重大，但由于目前太陽能的利用還未普及，關鍵部件還比較昂貴，因此如何根據性價比指標，合理的選擇零部件顯得尤其重 要。
太陽能電池板與蓄電池的選?。?br />選一塊多晶硅電池的組件，最大的輸出功率Pm（額定功率）為50W，峰值電壓(額定電壓)Ump為 15V．峰值電流（額定電流）為3A，若某地區(qū)有效光照時間h為12h，太陽能電池的發(fā)電效率為：u=0.7，蓄電池的補償值為n=1.4，計算太陽能電 池一天的發(fā)電量和所需蓄電池的容量。
那么，太陽能電池的日發(fā)電量：M=Pmx h×u=50×12×0.7=420(W.h)日電量等于輸出電流與有效光照時間的乘積，即：
C=I×H(Ah)o C=Ph/U=50×12/15=40(Ah)蓄電池電壓的選?。耗壳吧a太陽能電池產品種類和規(guī)格很多，對于蓄電池來講一般有6V、12V、24V的。 那么如何將太陽能電池和蓄電池配接起來？通常來說太陽能電池的額定輸出電壓是蓄電池電壓的1.25～1.5倍，這是因為蓄電池的充電效率決定的，因為太陽 能電池的充電，不像使用市電給蓄電池充電一樣有較大的選擇余地，況且它在給蓄電池充電的時候功率波動比較大，這要先考慮太陽能電池的成本問題。假如蓄電池 的充電補償值定位1.4倍，那么一個額定12V電壓的蓄電池應當選配的太陽能電池的電壓為：12V×(1.25~1.5)=15~18V左右的太陽能電 池。
實際蓄電池的有效容量要在C=40/1.40≈28.6(Ah)以上，考慮到要保證夏天連續(xù)數日強日照，太陽能充電系統能安全使用，故選用太陽能專用蓄電池其型號為：
E1,12V/36Ah;E2，12V/24Ah鉛封鉛酸密封電池各一個。
本電路太陽能電池板選用：50W多晶硅，鋼化玻璃封裝，戶外使用，25年壽命，其外形圖如下圖所示，參數如下表所示。

輸出設備選用：低壓電子節(jié)能燈，啟動電壓低至8V;發(fā)光效率高，啟動快，無頻閃現象；平均壽命長達5000h，標稱值：9V/7W節(jié)能燈四個。
系統功能：正常充電情況下，每日充電量能保證兩只9V/7W直流節(jié)能燈連續(xù)使用12h左右，可供居家連續(xù)陰雨3~4d正常使用。
集成電路：G1~04選用四個2輸入與非門74LS00，其外引線排列圖如上圖(略)所示；C5、C6、C7選用CC4069CMOS六反向器，其外引線排列圖如下圖(略)所示。

本 電路電源所提供的vcc電壓是從8.5~14V，為r使集成塊在低電壓下能工作，在高電壓。F工作又不至于損壞，經估算和經驗值知74LS00VCC與電 源(D3、D4負端)之間要串接一個1kΩ的限流電阻，CC4069VCC與電源(D3、D4負端)之間要串接一個270n的限流電阻。
D1、D2為隔離二極管，選用1N4001，若本地區(qū)光照不是很足，也可選用太陽能電池板專用肖特基隔離二極管，其最大反向電壓為40V時，正向壓降僅為0.2V。
光敏電阻RC，選用2CUZB型。
單向可控硅VS1、VS2，選用1A/100V。

四、太陽能電池板的安裝
太陽能電池板可安裝在陽臺、屋頂和空曠的草坪L。在安裝時，應嚴格按產品說明書所規(guī)定 的技術規(guī)范進行安裝、所有的緊固件都必須要裝牢外，還得要做好防雷裝置的安裝，若太陽能電池板安裝在屋頂或空曠的草坪上，應安裝一個避雷針（若太陽能電池 板已處在高層建筑物現有避雷針下述1點的保護網范圍內，可不必另行安裝），安裝時要做到以下幾點：
①避雷針的保護范圍是個圓錐體，圓錐的頂點是避雷針的最高點，圓錐的母線與避雷；針的夾角理論上是45度，但為了保險起見，保護范圍其夾角經驗值一般選取37。
②避雷針應安裝在太陽能電池板的背光面；
③避雷針與太陽能電池板最近的構件之間的距離應等于或大于3m；
④避雷針的接地可與現有建筑物可靠的接地網焊牢在一起，也可重新按規(guī)范進行埋設；
⑤避雷針的設計與制作應符合GB50057-94建筑物防雷設計規(guī)范（2000年版）的要求。