太陽能產(chǎn)品設(shè)計——蘑菇亭

1、太陽能產(chǎn)品設(shè)計蘑菇亭第一章 產(chǎn)品功能介紹有著魔法一般能力的蘑菇亭，能為游客無盡的補充電能。蘑菇亭適用建于野外公共場所，是游客們遮陽、避雨的好地方。蘑菇亭也是一座小型的太陽能發(fā)電站，但是它把太陽能轉(zhuǎn)換成了可直接利用的電能，故將之列入為太陽能充電器。蘑菇亭提供USB® 口直流電和兩相交流電，有 40個USB接口和20個普通插座。USBg口直流電直接用于手機充電，5V直流型，具輸出量達(dá)500mA h,對一般的手機充電2小時即可完成。普通插座是220s50Hz通用性電力，能夠完全滿足游客對電能的需要。1.1 ，游客只需投幣一枚，即可享用電能一次。1.2 ，蘑菇亭外觀1.3 蘑菇亭近景第二章

2、產(chǎn)品設(shè)計2.1 蘑菇亭組成蘑菇亭有：鋼筋支架、鋼筋片、水泥柱、水泥凳、光伏系統(tǒng)、投幣系統(tǒng)。水泥柱內(nèi)部放置太陽能發(fā)電系統(tǒng)控制電路。水泥凳內(nèi)部放置投幣系統(tǒng)、電力輸出線路。蘑菇頂層放置太陽能電池組，設(shè)有720 小塊多晶硅片。2.2 蘑菇及水泥凳設(shè)計蘑菇部分材料需用1000kg鋼筋做支架，支撐板；2m3水泥砂漿澆筑成蘑菇底部。水泥石凳由大理石和水泥砂漿澆筑。設(shè)計要求： 蘑菇底部水泥柱底部直徑為1 米， 內(nèi)設(shè)可放置光伏電系統(tǒng)（太陽能電池組除外）的足夠空腔。 蘑菇水泥柱中部開設(shè)通風(fēng)口蘑菇傘狀直徑為4 米，可容納足夠的太陽能電池片。蘑菇高度為4 米蘑菇傘狀傾角27° 30° 水泥石凳長2

3、.5米，高度40cm ,露地面高度30cni水泥石凳內(nèi)設(shè)空腔，用于電力輸出線路水泥石凳每個插孔旁邊設(shè)有投幣口2.3 太陽能電池組件 蘑菇亭對硅片要求不高，一般的長方形即可，組件根據(jù)傘狀凸面成型。為了達(dá)到對電流的要求，可以用串聯(lián)法適當(dāng)提高電流。3.1蓄電池第三章控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)兩個蓄電池，鉛酸免維護(hù)蓄電池、微型鉛酸蓄電池4V。鉛酸免維護(hù)蓄電 池用于220V電路，微型鉛酸蓄電池4V用于USB直流電路。相關(guān)參數(shù):品牌：EAST易事特荷電狀態(tài)：免維護(hù)蓄電池額定容量：65Ah產(chǎn)品認(rèn)證：泰爾3.1.2微型鉛酸蓄電池相關(guān)參數(shù)：電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密 類型：其他閉蓄電池型號：NP65-12 化學(xué)類型：鉛酸蓄

4、電池電壓：220 (V)外型尺寸：350*167*183 (mm適用范圍：UPSS電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池 化學(xué)類型： 鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)：免維護(hù)蓄電池 電壓： 4 (V)型號：FP4200額定容量：20.0AH外型尺寸：149*43*154 (mmi 產(chǎn)品認(rèn)證：CE適用范圍：UPS蓄電池3.2 控制器控制器要求充電電流：12A & 0.1A系統(tǒng)電壓：48V有過載、短路保護(hù)3.2.1 最大功率點跟蹤型控制器1太陽能發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。當(dāng)太陽能電池的負(fù)載電阻為零時，所測的電流為電池的短路電流。Isc值與太陽能電池的面積大小有關(guān)，面積越大， Isc 值越大。同

5、一塊太陽能電池，其Isc 與入射光的輻照度成正比：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，Isc 值略有上升。當(dāng)負(fù)載電阻無窮大時，所測得的電壓為電池的開路電壓。太陽能電池的開路電壓與光譜輻照度有關(guān)，與電池面積的大小無關(guān)。當(dāng)入射光譜輻照度變化時，太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，太陽能電池的開路電壓值將下降。太陽能電池在不同溫度、輻射強度下的電流電壓特性顯示了通過太陽能電池 （ 組件） 傳送的電流Isc 與電壓在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。如果太陽能電池 （組件 ） 電路短路，即 U=0， 此時的電流為短路電流Isc ： 如果電路開路，即 I=0，此時的電壓為開路電壓Uoco太陽能電池

6、（組件）的輸出功率等于流經(jīng)該電池（組 件 ） 的電流與電壓的乘積，即P=IU。當(dāng)太陽能電池（ 組件 ） 的電壓上升時，例如通過增加負(fù)載的電阻值或電池（ 組件 ） 的電壓從0 （ 短路條件下） 開始增加時，電池（ 組件） 的輸出功率亦從0 始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，功率可達(dá)到最大，這時當(dāng)阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至0,即電壓達(dá)到開路電壓 Uoco電池（組件）輸出功率達(dá)到最 大的點，稱為最大功率點；該點所對應(yīng)的電壓，稱為最大功率點電壓 Um又稱 為最大工作電壓；該點所對應(yīng)的電流，稱為最大功率點電流Im 又稱為最大工作電流：該點的功率，則稱為最大功率 Pm太陽能電池在不同溫度、輻

7、射強度下 的P-V特性是一組具有各自一個最大功率點的曲線。 太陽能電池的輸出是隨著電 壓的變化而不規(guī)則變化的，只要控制太陽能電池兩端的電壓跟蹤Um就能實現(xiàn)最大功率的輸出。3.2.2 最大功率點跟蹤裝置的設(shè)計方案太陽能電池組經(jīng)Boost（ 直流直流升壓變換器） 電路對蓄電池組充電。系統(tǒng)由 A D 芯片采樣蓄電池的電壓和電流，再通過最大功率點跟蹤控制器尋找出太陽能電池最大功率點，給出控制信號，經(jīng)PW微寬調(diào)制式）驅(qū)動電路調(diào)節(jié)Boost變換器的占空比D,從而改變Boost變換器的Um即太陽能電池的輸出電壓），使 其與太陽能電池組最大功率點所對應(yīng)的電壓相匹配，從而使太陽能電池組始終輸出最大功率，充分利用

8、太陽能。系統(tǒng)中最大功率點跟蹤控制器由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)中最大功率跟蹤過程實際是一個太陽能電池功率自尋優(yōu)的過程。對于以蓄電池作為負(fù)載的情況，考慮到充電過程中蓄電池兩端的電壓變化與溫度和輻射強度引起的Io 變化過程相比是一個漸變過程，所以只需測量蓄電池組電流Io的變化， 使其始終保持在當(dāng)前時刻下的最大值，即可確定太陽能電池組工作在最大功率點。系統(tǒng)中蓄電池組的Io經(jīng)采樣后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在最大功率點跟蹤控制器中將當(dāng)前時刻的采樣電流Io（ 助與上一時刻的采樣電流Io（k 一 1）相比較，確定功率變化的方向，再結(jié)合上時刻占空比D的變化，直接確定當(dāng)前時刻 D應(yīng)增大還是減小。最大功率點跟蹤裝置系統(tǒng)圖3.

9、2.3 Boost 直流一直流升壓電路Boost 升壓電路在最大功率點跟蹤裝置中起到調(diào)節(jié)太陽能輸出電壓，達(dá)到電力穩(wěn)定的作用。圖 2 為 Boost 變換器的基本電路。其工作原理為：開關(guān)管驅(qū)動電路開通時間ton期間：二極管D反偏截止，電感L儲能，電容C給負(fù)載RL提供 能量；開關(guān)管驅(qū)動電路截止時間如toff 期間：二極管D 導(dǎo)通，電感L 經(jīng)二極管D給電容充電，并向負(fù)載RL提供能量。其輸出電壓為：式1式中占空比D=tors（ 開關(guān)周期）。當(dāng)D=0時，Vo%，但D不能為l ,因此在o&D<l的變化范圍內(nèi)Vo大于輸入電壓 Uin。 在所描述的最大功率點跟蹤系統(tǒng)中，Boost 變換器的負(fù)載為

10、蓄電池組，輸出電壓虬的值將被箝位于蓄電池組兩端的電壓。由于輸入端電壓最高為太陽能電池的開路電壓Uoc<Vo如果D值過小，由上式可知，Boost電路在輸出端產(chǎn)生的電壓將會小于蓄電池池組兩端的電壓，從而無法對蓄電池組充電。因此存在一個D的下限值Dmin,在D>Dmin的情況下，太陽能電池才能對蓄電池組的充電電流產(chǎn)生影響。該值可按下列方法求出。設(shè)輸入端電壓為太陽能電池的開路電壓Uoc,則由上式可得：式2當(dāng)D在Dmin至ij 100%的區(qū)間內(nèi)變化時，Boost電路輸入輸出端的電壓應(yīng)滿足（1） 式，在Uo不變的情況下，改變D將改變與Boost變換器輸入端相連的太陽能電 池兩端的電壓。由此可得

11、：式3因此，Boost電路的輸入端電壓Uin可在0Uoc之間變化。只要太陽能電池 具有合適的開路電壓，通過改變 Boost占空比D,就能找到與太陽能電池最大功 率點對應(yīng)的Uin 值，此時太陽能電池輸出功率最大。本系統(tǒng)中Boost電路的組成及元件參數(shù)為：電感（820 mH/1. 5A）,二極管(5A),電容(16 uf/400V), TL494驅(qū)動電路，MOSFET(IRFP460f關(guān)管，蓄電池(24 V)。 單晶硅太陽能電池的技術(shù)參數(shù)：開路電壓21 5V， 最大短路電流1 63A。Boost 電路的調(diào)試順序為，先空載，再電阻負(fù)載，最后蓄電池負(fù)載。測試結(jié)果表明Boost輸出與輸入基本符合U0=U

12、in/ (1-D)的關(guān)系。其控制電壓和占空比呈線性關(guān)系，兩者比率約為0.3。3.2.4 最大功率點跟蹤控制器最大功率點跟蹤控制器包括 A/ D轉(zhuǎn)換、單片機、D7A轉(zhuǎn)換三部分組成，主要作用是通過它來計算控制太陽能電池最大功率點的占空比的變化方向。選用STC89C516RD+片機，是一種CMOS骯單片機，在電路中主要是起處理數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的作用。單片機算法程序流程如下圖示：算法程序是通過功率的變化來計算占空比的增減。首先初始化I0 和 D(k)，D(k-1) ，然后采集蓄電池電流I0 和 D(k) ，比較當(dāng)前時刻的電流I0(k) 和前一時刻的電流I0(k-1) ，如果 Io(k)> Io(k

13、-1) ，說明功率是增加的，再比較當(dāng)前時刻的占空比D(七)和前一時刻的D(k-1),根據(jù)功率曲線，若D(D>D(k-1),說明太陽能電池的電壓Uin 是減小的，是往輸出大功率方向的，所以為了使Uin 減小，D(k) 應(yīng)增大，反之則減小。達(dá)到最大功率跟蹤的目的。裝置中采用的AID轉(zhuǎn)換電路是一塊具有12位精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543它具有 1 1 個模擬信號輸入口，可以對11 個數(shù)據(jù)進(jìn)行A D 轉(zhuǎn)換。在裝置中用了三個采樣通道，分別將外部的太陽能電池電壓、蓄電池的電壓，和蓄電池的充電電流轉(zhuǎn)換成單片機的數(shù)字信號以便單片機的數(shù)字處理。D/ A轉(zhuǎn)換芯片采用12位精度的TLC5618它有兩個模擬

14、量輸出通道可供選擇。其作用是將單片機內(nèi)計算 出來的數(shù)字量的占空比轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸入到Boost變換器驅(qū)動電路PW勝制芯片的控制端。本裝置輸出選用的是 OUTAS道(由16位數(shù)據(jù)的高四位決定)。TLC2543與單片機的連接圖片機與D/A芯片TLC5618的接線圖。下圖是太陽能最大功率點裝置的總體接線圖，其中的單片機模塊對應(yīng)于圖7。裝置通過120Q的采樣電阻進(jìn)行采樣，10 Q電阻采樣輸出電流，通過三個模擬量輸入通道將數(shù)據(jù)傳送到單片機中，然后由單片機進(jìn)行算法的計算，輸出一個控制量，再通過D/A芯片轉(zhuǎn)換，將輸出量送到TL494芯片的控制端玩1,以控制 PWMJ寬度，從而調(diào)節(jié)Boost電路的占空比D,

15、來控制太陽能輸出電壓，使之與最大功率點對應(yīng)的電壓相匹配。太陽能最大功率點裝置的總體接線圖單片機接線圖3.3 逆變器佰威特純正弦波電源轉(zhuǎn)換器相關(guān)參數(shù)：品牌：佰威特持續(xù)輸出功率：2500W型號：48V轉(zhuǎn)220V & 24V轉(zhuǎn)220V & 12V電壓轉(zhuǎn)換功能：48V-220V互換轉(zhuǎn)220V是否帶USB否3.4 離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)3.5 投幣系統(tǒng) 2系統(tǒng)應(yīng)屬單片機應(yīng)用系統(tǒng)，其硬件主要包括單片機及其輔助電路、顯示模塊、執(zhí)行機構(gòu)、信號獲取模塊。系統(tǒng)中的信號流如下圖所示：智能投幣系統(tǒng)信號流程圖單片機采用AT89C521,為保障檢測精度，系統(tǒng)采用12MH鋸體振蕩器。晶 振頻率穩(wěn)定獲得保證了本機辨識硬幣的準(zhǔn)確性和可靠性。第四章 產(chǎn)品評估4.1 成本評估控制器 :400 元逆變器 :2500 元投幣系統(tǒng):350 元安裝費 :500 元太陽電池片:3000 元1000kg 鋼筋 :360 元2m3 水泥砂漿:60