太阳能和市电互补供电系统

　　为了更好地利用太阳能，减小市电电网的压力，设计了太阳能和市电互补供电系统。本系统有两路电源，一路来源于市电，另一路来源于太阳能，两路电源并联向负载供电。同时以STC12C5A60S2单片机为控制单元，应用AD检测蓄电池的电量，可控制系统工作于太阳能单独供电、市电单独供电以及太阳能和市电并联供电三种模式。太阳能电池板可自动跟踪太阳光，利用光敏电阻检测太阳光的照射角度，使太阳能电池板保持与太阳光照射方向垂直。

　　引言

　　太阳能是人类可以利用的最丰富能源，取之不尽，用之不竭，无论何处都可以开发利用，不存在运输问题。太阳能是一种清洁能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水和废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能作为一种可再生清洁能源，其开发利用对我国的经济发展和环境保护有重要意义。我国在太阳能的开发利用方面起步比较晚，还有很大的发展空间。目前开发利用太阳能不存在技术问题，对解决电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急问题有一定的帮助。

　　应用太阳能最简单的方法，就是把太阳能转换为电能储存在蓄电池中，然后向用电器供电。但太阳能发电效率易受天气影响，可能会出现由于蓄电池电量不足导致用电器停止工作。为了避免这种问题出现，本文介绍了太阳能和市电互补供电设计，本设计可根据蓄电池的剩余电量自动切换供电模式，并且太阳电池板可自动跟踪太阳光，在保证用电器不断电的情况下，最大限度利用了太阳能。

　　系统总体设计

　　太阳能和市电互补供电系统原理框图如图1所示。220V市电经过降压、整流、滤波电路得到低压直流电，再经过Buck电路稳压得到所需电压；太阳能电池板通过充电电路把电能存储到蓄电池中，蓄电池的电压经过Buck电路稳压得到所需电压。两个Buck电路的输出通过MOS管与负载连接。以STC12C5A60S2为控制中心的单片机具有AD检测和PWM输出功能，单片机AD用于检测蓄电池的电量，当电量变化时，可改变系统的工作模式。在太阳能电池板的东、西方向各安装一个光敏电阻，用于检测太阳光照射方向的变化，从而调节步进电机带动太阳能电池板转动，使电池板始终保持与太阳光照射方向垂直。

　　系统硬件设计

　　Buck电路设计

　　本系统利用TD7590芯片搭建两个参数相同的Buck电路，电路如图2所示。TD7590是DC/DC开关稳压芯片，输入电压范围宽(3.6V～36V)；输出电压范围宽(1.222V～34V)；连续输出电流可高达5A；内部开关管频率240kHz；效率高达95%；内置频率补偿电路、过热保护电路、限流电路。其大电流、高效率的性能符合本系统设计的要求。

　　C2、C3是输入、输出滤波电容，用于减小电压纹波；C1、C4是退耦电容，用于滤掉高频干扰；D1是续流二极管，采用快速肖特基二极管；L1是储能电感；R1、R2、CFF组成分压反馈电路，通过调节R2可以得到所需输出电压。

　　其中，输出电压值为：

　　输出电压UOUT、R1和R2选择推荐值，如表1所示。如果要求输出电压连续可调，那么R1使用固定电阻，R2使用精密可调电阻，通过调节R2的阻值，就可以得到所需输出电压。

　　MOS管驱动电路设计

　　当系统工作在并联供电模式时，两路电源要交替轮换工作，系统采用PMOS管作为开关元件。由于PMOS管的栅极和源极之间有比较大的电容Cgs，会使PWM控制信号的边沿失真，造成开关管的开、关速度过慢。因此，需要一个有力的驱动器，在瞬间提供大电流，使得控制信号电平快速跳变，从而使得开关管的通断快速彻底。本设计利用最常用的三极管S8550和S8050搭建一个简单而实用的OCL互补对称功率放大电路作为驱动电路，如3所示。PMOS开关管U1接在T2、T4的射极，由T2、T4提供大电流驱动U1的开、关。D1是稳压管，一方面可以保护T1发射结，另一方面可以为推挽管基极提供回路电流。T3是共射接法，用以驱动T1，并且对TTL电平的PWM信号有电平兼容作用。另一路驱动电路只需在原电路输入端加一个反相器即可，反相器可用三极管S8050搭建。

　　光敏电路设计

　　光敏电路结构图如图4所示，在东、西方向各安装一个光敏电阻，分别有挡板遮光。当太阳光以同样的角度照射到两个光敏电阻时(即太阳光照射方向与太阳能电池板垂直)，光敏电阻的阻值相等，AD1、AD2检测到的电压相等，此时转轴不动。当太阳光照射到两个光敏电阻的角度不同时，AD1、AD2检测到的电压将不同，根据电压差的极性控制电机的转向，电压差的大小控制电机的转角，使太阳能电池板始终保持与太阳光的入射角度垂直。

　　充电电路设计

　　本系统采用12V锂电池来存储电能，要将太阳能存储到蓄电池必须用到充电器，系统选择了基于CN3722的充电电路，如图5所示。CN3722是一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722具有恒压充电模式和恒流充电模式。其输入电压范围宽，可达7.5V～28V，充电电流达5A，PWM开关频率300kHz，具有电池温度监测、充电状态指示、软启动、电池端过压保护等功能。

　　C2、C4是输入、输出滤波电容，可减小电压纹波。R5、R8构成电阻分压网络，可以实现对太阳能电池板最大功率点进行跟踪。LED1、LED2是充电状态指示灯。R4、R6构成电阻分压网络反馈到FB管脚，CN3722根据FB管脚电压决定输出电压。C5、C6、C7和R7构成三个补偿回路，保证了电流调制和电压调制的稳定性。

　　太阳能电池的最大功率点电压为：

　　恒压充电状态电池端对应的电压为(其中 =50nA)：

　　系统软件设计

　　系统以STC12C5A60S2单片机为控制中心，程序流图如图6所示。单片机通过AD检测蓄电池的电量，当电量低于75%时，市电单独供电；当电量为75%～90%时，太阳能和市电并联供电；当电量高于90%时，太阳能单独供电。同时，单片机通过AD检测东、西方向光敏电阻的阻值来调整电机，直至太阳能电池板与太阳光照方向垂直。

　　结论

　　系统利用了单片机控制技术、传感器检测技术、电源技术等，实现了太阳能和市电互补供电功能，根据蓄电池剩余电量的多少，系统可工作于太阳能单独供电、市电单独供电以及太阳能和市电并联供电三种模式。系统具有自动跟踪太阳光功能，太阳能电池板始终与太阳光照射方向垂直，最大限度利用了太阳能。系统实用性强，安全可靠性高，价格低廉，有较好的推广性，可应用到室外低压场合。随着太阳能转换效率的提高、转换设备价格的降低，这种双电源供电系统可以作为小型动力设备的电源，并起到不间断电源的作用。

　　参考文献：

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　　张聪 廖世贤 吴伟兵 五邑大学信息工程学院（广东 江门529020）