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1、居家不间断式太阳能供电设备的设计与制作居家不间断式太阳能供电设备的设计与制作本文由 wangdjb 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。居家不间断式太阳能供电设备的设计与制作福建工程学院 林德耀本题目是设计出一套低耗,高效的太阳能居家不间断式供电设备.其创新之处在于:其一, 采用简单实用的电路实现步进充电方式, 即在充足的太阳光下,一个蓄电池充电电流大于另一个蓄电池的充电电流,以实现先对一个蓄电池充电,充满电荷后自动地再对下 一个蓄电池进行充电, 这相当于两个蓄电池轮流地被充电, 这不仅充分利用了单位面积的太阳能, 也大大增加了蓄电池
2、的使用寿命, 这样在同等负荷的情况下,可降低对太阳能电池板功率的要求,从而降低了工程的造价;其二,设计出一种太阳能与市电供电自动 切换系统,以弥补数日绵绵阴雨太阳能供不上电的缺陷,做到不间断式的居家供电目的. 一,设计原理及电路分析 电路由步进充电电路,太阳能供电与市电供电自动切换电路和路灯控制与照明电路三大部分组成,如图 1 所示.该电路结构简单, 内涵丰富,电路工作稳定可靠.1 .步进充电电路 如图 1 所示,太阳能电池板的输出引线从 CK 插座接入,依据 I=(U-E1.2) / R1.2 其中 I 为各支路充电电流, U 为太阳能电 池板带载输出的端电压, E1 , E2 分别为蓄电福
3、建工程学院 林德耀池 E1 , E2 上的电压,在两个蓄电池原始电压相同的情 况下, 蓄电池 E1 的充电电流 I1 是蓄电池 E2 的充电电流 12 的 10 倍; 显然, E1 蓄电池的充电电压的初始速度比蓄电池 E2 充电电压的初始速度大得多,相当于太阳能电池板先对蓄电池 E1 进行充电,随着充电过程的不断产生,蓄电池 E1 上的电压也 在不断地增加,使得蓄电池 E1 上的电压逐渐趋于饱和,同时蓄电池 E1 的充电电流 I1 在逐渐地减少,当蓄电池 E1 上的电压 充到接近于额定值时,蓄电池 E1 的充电电流 I1 也就趋近于零,此时可认为蓄电池 E1 的充电过程基本结束. 当太阳能电池
4、板对蓄电池 E1 充电的同时也对蓄电池 E2 充电,只不过蓄电池 E2 电压上升的速度比蓄电池 E1 电压上升的速度 要慢得多,当蓄电池 E1 充电过程基本结束后,相当于充电负载减轻,依据 (U=E-I r) , U 为太阳能电池板带载输出的端电压, E 为太阳能电池板所提供的电压源电压, I 为回路充电的总电流, r 为太阳能电池板的内阻,此时太阳能电池板带载输出的端电 压 U 会回升,从而加快了太阳能电池板对 E2 的充电速度,即加快了蓄电池 E2 上的电荷的累积速度,当历经了若干时间后,蓄 电池 E2 上的电压也充到接近于额定值时,蓄电池 E2 的充电电流 I2 也趋近于零;同理,此时也
5、可认为蓄电池 E2 的充电过程 基本结束 . 当两个蓄电池充电过程基本结束后,此时若仍有太阳光存在,虽然说充电电流都趋近于零,当仍有微小的充电电流在 流动,充电过程仍在延续,只不过此时蓄电池上电荷累积的速度变得异常缓慢,其目的不仅不浪费资源,而且有利于延长蓄电池的 使用寿命. D1 , D2 是隔离二极管,其作用是阻止两个蓄电池互相充电,形成不必要的内耗,提高供电系统的效率. 太阳能充电电路的等效图如图 2 所示,根据基尔霍夫定律,得出下列充电回路的电压与电流方程如下式:其中 I , I1 , I2 分别为太阳能电池板 E 充电回路的总电流, 蓄电池 E1 回路充电电流, 蓄电池 E2 回路的
6、充电电流 r , r1 , r2 分别为太阳能电池板,蓄电池 El ,蓄电池 E2 的内阻,蓄电池的内阻随着电压的升高而减少, R1 , R2 为充电回路的限流 电阻, VDl , VD2 为二极管 Dl , D2 的正向压降,设为 0 . 7V ,太阳能的峰值电压取 15 . 1v ,无论是 E1 还是 E2 , 经理论推算与实践验证获悉,只要当蓄电池上的电压充到约 13 . 8V 时,该充电回路的电流急剧减少,且趋近于零;若 E1=13 . 8V , r=61“1 , r2 取 2n ,则从上述方程可知:经计算后获悉, E1 充满电荷后, E2 才充到 8 . 6V , 当 随着 E2 电
7、压的逐渐升高, 充电电流 12 在减少, 同时又有微弱的 11 充电电流在流动.这有利于延长蓄电池的使用寿命.但无论 E1 , E2 充电电压如何的升高,根据式 (2) , f3) 式知, E1 , E2 的电压峰值都控制在 14 . 4v 内.其理由缘至二极管 D1 , D2 具有单向导电性. 则 11 =1=(E -E1 - VDl - Irl 0 , 12=(E - E2 - VD2 - Ir 0 因此, E1 , E2 15 . 1 - 0 . 7 - 1 . r=14 . 4 -I . r=14 . 4(N) 由于 14 . 4V 为 12V 蓄电池极限所承受的电压值,故有效地保护了
8、蓄电池. 2 .太阳能与市电供电自动切换电路 用 (2MOS 反相器构成的施密特触发器如图 3 所示,其电路的同相电压传输特性如图 4 所示,电路设计时参数设定:正向阀值, VT+=7v ,负向阀值 VT_=3V ,确定可变电阻器 RPI 与电阻器 R5 的值.RPl 为 15k可调电位器.当有太阳光照的情况下,太阳能电池板对蓄电池进行充电,照明电路电源由蓄电池供给;当连续数天阴雨绵绵时,无太阳光对蓄电 池进行充电,蓄电池上的电荷逐渐被消耗掉,导致蓄电池的端电压逐渐降低,引起非门电路 G5 的输入端电压降低,当低到与负 向阀值 (VT_=_3v) 电压相等时,施密特触发器翻转, G5 输出高电
9、平 ,G6 输出低电平 ( 同相输出 ) ,经 G 7 倒相输出高电平, 单向可控硅 VS1 导通, 220V 市电电压经变压器 T 降压,二极管 (D7 D10) 整流, C5 滤波后,再经 LM7809 稳压,形 成 9v 的直流电压对照明电路进行供电.同时,造成二极管 D3 , D4 反偏而截止,蓄电池 E1 , E2 向负载供电回路被切断.同理, 当阳光来临时, 蓄电池立即被充电, 蓄电池上的电压不断的上升, 当升到 11V 时, G1 输人端的电压与正向阀值 (VT+=7V) 即 相同,施密特触发器再次翻转,单向可控硅 VS1 截止,市电被切断,供电电路转而由蓄电池提供.如此,周而复
10、始地进行着,构 成了以太阳能为主,市电为辅的居家不问断式供电系统. 3 .路灯控制与照明电路 如图 1 所示,白天,光敏电阻受到光照而使电阻变小,与非门电路 G1 输入端为低电平,经两次 ( 与非 ) 倒相后, G2 输出端 为低电平, D6 截止, G3 输入端为低电平. 再经两次 f 与非 ) 倒相后, G4 输出端亦为低电平, 单向可控硅 VS2 截止, HL1 灯 熄灭. 夜晚,光敏电阻 RG 未受到光照而阻值变大,但由于三极管 BG 在本电路所设置的参数下,是处于导通状态.三极管 BG 集电 极 (G1 输入端 ) 仍处于低电平,单向可控硅 VS2 仍处于截止状态,灯 HL1 熄灭;
11、当有人触摸 TP 触点或说话时,人体感应的 信号或音频信号经三极管 BG 放大后,在 R10 上形成信号电压,导致瞬间三极管集电极为高电平,同理,经两次 ( 与非 ) 倒相 后, G2 输出端为高电平, D6 导通,对 C3 充电, G3 输入端为高电平,再经两次 ( 与非 ) 倒相后, G4 输出端亦为高电 平,单向可控硅 VS2 导通,灯 HL1 被点亮 . 当人体触摸 TP 触点动作或说话声音过后.三极管 BG 集电极 (G1 输入端 ) 恢 复到低电平, C2 输出端亦为低电平,电容 C3 对 R11 放电,当 C3 的电压放电到低电平值时, G3 , G4 与非门状态翻转, 单向可控
12、硅 VS2 截止,灯 HL1 才熄灭 ( 按图 1 中所示,电路中所标元器件的参数值,灯点亮持续时间约 2 . 5min). 室内照明电路,开关 (SW1 , SW2 , SW3) ,灯 (HL2 , HL3 , KL4) 构成室内照明电路,人们可通过控制开关的通与断, 来实现电灯的亮与暗. 二,电路调整 本电路结构简单,无需太多的调整就可实现.但有一点需提醒的是,何时由蓄电池供电,何时由市电供电,这应由太阳能电池板, 蓄电池的容量等综合因数来决定.本电路电源电压 VDD 是随着蓄电池上电压等变化而变化.因此,还必须通过调整可变电阻器 RP1 及电阻 R4 的阻值,使得蓄电池上的电压当低于 8
13、 . 5V 时,转为市电供电;当高于 11V 时,又转为蓄电池供电. 三,元器件选择 传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害日益突出.丰富的太阳辐射能是取之不尽,用之不竭的,无污染,廉价,人类 能够自由利用的能源.太阳能每秒钟到达地面的能量高达 8 105kW ,假如把地球表面 0 . 1 %的太阳能转为电能,且转化率 只有 5 %,那么,每年发电量可达 5 . 6 1012kW h ,相当于目前世界上能耗的 40 倍.因此,研究和利用太阳能意义重大, 但由于目前太阳能的利用还未普及,关键部件还比较昂贵,因此如何根据性价比指标,合理的选择零部件显得尤其重要. 太阳能电池板与蓄电池的选取
14、: 选一块多晶硅电池的组件,最大的输出功率 Pm( 额定功率 ) 为 50W ,峰值电压 ( 额定电压 )Ump 为 15V ,峰值电流 ( 额定 电流 ) 为 3A ,若某地区有效光照时间 h 为 12h ,太阳能电池的发电效率为: u=0 . 7 ,蓄电池的补偿值为 n=1 . 4 , 计算太阳能电池一天的发电量和所需蓄电池的容量. 那么,太阳能电池的日发电量: M=Pm h x u=50 12 0 . 7=420(W h) 日电量等于输出电流与有效光照时间的乘积,即: C=I H(Ah) . C=Ph / U=50 12 / 15=40(Ah) 蓄电池电压的选取:目前生产太阳能电池产品种
15、类和规格很多.对于蓄电池来讲一般有 6V , 12V , 24V 的.那么如何将太阳 能电池和蓄电池配接起来 ? 通常来说太阳能电池的额定输出电压是蓄电池电压的 1 . 25 1 . 5 倍,这是因为蓄电池的充 电效率决定的,因为太阳能电池的充电,不像使用市电给蓄电池充电一样有较大的选择余地,况且它在给蓄电池充电的时候功率波 动比较大,这要先考虑太阳能电池的成本问题.假如蓄电池的充电补偿值定位 1 . 4 倍,那么一个额定 12v 电压的蓄电池应当 选配的太阳能电池的电压为: 12V (1 . 25 1 . 5)=15 18V 左右的太阳能电池.实际蓄电池的有效容量要在 C=40 / 1 .
16、40 28 . 6(Ah) 以上,考虑到要保证夏天连续数日强日照,太阳能充电系统能安全 使用,故选用太阳能专用蓄电池其型号为: E l , 12V / 36Ah ; E 2 , 12V / 24Ah 铅封铅酸密封电池各一个. 本电路太阳能电池板选用: 50W 多晶硅,钢化玻璃封装,户外使用, 25 年寿命,其外形图如图 5 所示,参数如表 1 所示.输出设备选用:低压电子节能灯,启动电压低至 8V ;发光效率高,启动快,无频闪现象;平均寿命长达 5000h ,标称值: 9V / 7W 节能灯四个. 系统功能:正常充电情况下,每日充电量能保证两只 9V / 7W 直流节能灯连续使用 12h 左右,可供居家连续阴雨 3 4d 正 常使用. 集成电路: G1 G4 选用四个 2 输入与非门 74LS00 , 其外引线排列图如图 6 所示; G5 , G6 , G7 选用 CC4069 CMOS 六反向器,其外引线排列图如图 7 所示.本电路电源所提供的 VCC :电压是从 8 . 5 14V ,为了使集成块在
