第一篇 能量的來源——太陽能電池板

1、名稱和外觀 太陽能電池板(中文) Solarcell panel(English)

太陽能電池板是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的模塊，是綠色能源的核心部件，接收太陽光線，輸出直流電。常見的太陽能電池板分為多晶硅和單晶硅。(1)單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達到24%，這是所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本相對高。(2)多晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右。制作成本相對低廉。

3、參數(shù)說明

太陽能電池板銘牌

Maximum Power (Pm) : 最大功率50瓦

Open-Circuit Voltage (Voc) : 開路電壓22伏

Short-Circuit Current (Isc): 短路電流2.78安

Maximum Power Voltage (Vmp): 最大功率時輸出電壓18伏

Maximum Power Current (Imp): 最大功率時輸出電流3.05安

Maximum system Voltage (V): 系統(tǒng)最大耐壓直流800伏(絕緣系數(shù))

Temperature Cycling Range : 工作時溫度范圍零下40攝氏度~85攝氏度

Tolerance : 誤差正負3%

Weight : 重量4.6公斤

測試條件： 光照強度 1000W/M2 光譜 AM1.5 溫度 25攝氏度

警告：太陽能電池板一旦暴露在光線中就會產(chǎn)生電能。有兩種級聯(lián)方式：串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)可以提升輸出電壓，并聯(lián)可以提升輸出電流。使用級聯(lián)方式時可能會引起火災(zāi)，使用時要小心，做好保護措施。

4、太陽能電池板使用的保護問題

太陽能電池板使用時，應(yīng)避免短路和反充。反充是指電路給太陽能電池板充電，即太陽能電池板的輸出電壓小于端口電壓，端口對電池板放電。反充會損壞太陽能電池板內(nèi)部的光電變換單元，長期反充會嚴重損害電池板整體性能。太陽能電池板的保護一般采用二極管來完成，防反充二極管和旁路二極管。

①、防反充二極管

防反充二極管也稱為防逆流二極管，與太陽能電池板輸出端串聯(lián)。其作用之一是防止太陽能電池組件或方陣在不發(fā)電時，蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會使組件或方陣發(fā)熱甚至損壞;作用之二是在電池方陣中，防止方陣各支路之間的電流倒送。這是因為并聯(lián)各路的輸出電壓不可能絕對相等，各支路電壓總有高低之差，或者某一支路故障、陰影遮蔽等使該支路的輸出電壓降低，高電壓支路的電流就會流向低電壓支路，甚至會使方陣總體輸出電壓的降低。在各支路中串聯(lián)接入防反充二極管就避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。 在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有些光伏控制器的電路上已經(jīng)接入了防反充二極管，即控制器帶有防反充功能時，組件輸出就不需要再接二極管了。

要特別注意的是損耗問題，防反充二極管存在正向?qū)▔航担?lián)在電路中會有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二極管壓降為0.7V以上。例如18V太陽能系統(tǒng)，防反充二極管壓降為0.9V，那么在二極管上消耗的功率百分比為：0.9/18=5%。

②、旁路二極管 當有較多的太陽能電池組件串聯(lián)組成電池方陣時，需要在每塊電池板的正負極輸出端反向并聯(lián)二極管，這種并聯(lián)在兩端的二極管叫旁路二極管。 旁路二極管的作用是防止方陣中的某個組件或組件中的某一部分被陰影遮擋或出現(xiàn)故障停止發(fā)電時，在該組件旁路二極管兩端會形成正向偏壓使二極管導通，組件串工作電流繞過故障組件，經(jīng)二極管流過，不影響其他正常組件的發(fā)電，同時也保護被旁路組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應(yīng)”發(fā)熱而損壞。 旁路二極管一般都直接安裝在接線盒內(nèi)，根據(jù)組件功率大小和電池片串的多少，安裝1~3個二極管。 旁路二極管也不是任何場合都需要的，當組件單獨使用或并聯(lián)使用時，是不需要接二極管的。對于組件串聯(lián)數(shù)量不多且工作環(huán)境較好的場合，也可以考慮不用旁路二極管。一般電池板出廠時都并聯(lián)了旁路二極管。

5、太陽能電池板的安裝

一般太陽能電池板多為固定式安裝，即方位角和傾斜角設(shè)置完畢后不可調(diào)。為了更加充分有效地利用太陽能，太陽能電池板安裝時要考慮方位角與傾斜角的選擇。

①、方位角

方位角是電池板的垂直面與正南方向的夾角。在固定式電池板工作時，方位角朝向正南(即電池板垂直面與正南的夾角為0°)時，太陽電池發(fā)電量是最大的。在偏離30°時，發(fā)電量將減少約10%～15%;在偏離60°時，發(fā)電量將減少約20%～30%。 在夏天，太陽輻射能量的最大時刻是在午后，因此方位角稍微向西偏一些時，可獲得最大發(fā)電功率。在其他季節(jié)，方位稍微向東或西偏移。

②、傾斜角

傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角。一年中的最佳傾斜角與當?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當緯度較高時，相應(yīng)的傾斜角也大。對于方位角為0°時，傾斜角從水平(傾斜角為0°)開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，其日射量不斷增加直到最大值，若再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大于50°～60°以后，日射量急劇下降，直至到最后的垂直放置時，發(fā)電量下降到最小。

有一組經(jīng)驗公式，根據(jù)使用地點的緯度來設(shè)置傾斜角：

(1)緯度為0°-25°時，太陽能板的傾斜角度與緯度相同;

(2)緯度為26°-40°時，太陽能板的傾斜角度為緯度+(5-10)°;

(3)緯度為41°-55°時，太陽能板的傾斜角度為緯度+(10-15)°;

(4)緯度>55°時，太陽能板的傾斜角度為緯度+(15-20)°。

以武漢為例，武漢緯度為 30.6°，在安裝固定式的太陽能電池板時，建議方位角選擇正南方向(即0°)，傾斜角選擇38°(30.6+7.4=38)

當然可以考慮制作可旋轉(zhuǎn)的自動追蹤系統(tǒng)。

太陽能電池板.rar

第二篇 充電模塊——基于KIS3R33S的高效智能同步整流

1、模塊基本功能

將太陽能電池板提供的能量(15~20V直流電)，給蓄電池(12V)充電，儲存能量，必須滿足以下幾方面的要求：高效的電能變換，蓄電池充電的基本階段(恒流、恒壓、涓流)，雙重保護(硬件電路限壓、限流，同時提供單片機監(jiān)視和控制端口)，帶電網(wǎng)支撐功能。

2、直流電能變換的方式選擇(基于KIS-3R33S的同步整流降壓模塊)

DC/DC降壓電路，馬上想到的就是Buck電路，在市場上有許多成熟的控制芯片，比較流行的是LM2596模塊，但是效率偏低(我自己搭建了一個簡易效率測試平臺LM2596模塊的平均效率勉強80%)，而且發(fā)熱嚴重，電流上到1.5A時不敢往上調(diào)(這還是增加散熱片的情況)。通過逛淘寶和論壇，最后選定了同步整流方案。

什么是同步整流?

假設(shè)一個二極管串在蓄電池的12V系統(tǒng)中，消耗在二極管上的電壓為0.9V，電路電流為I，那么系統(tǒng)效率為((12-0.9)*I)/ (12*I)=11.1/12=92.5%。我們知道在傳統(tǒng)Buck電路中接有一個續(xù)流二極管，因此傳統(tǒng)Buck變換電路的效率是很難達到90%以上的。LM2596模塊效率低和發(fā)熱大的根源之一就是二極管損耗(特別提醒，系統(tǒng)電壓越低二極管上的損耗比就越恐怖)。

只有選擇同步整流方式，才可以得到高效率，同時高效率也意味著低損耗，發(fā)熱小。同步整流方式其實是對傳統(tǒng)的Buck降壓電路的改良，通過給二極管并聯(lián)低導通阻抗的MOSFET，并有時序要求的(即同步方式)導通來代替二極管，從而提高效率。通過KIS-3R33S同步降壓模塊的學習，掌握了MP2307芯片基本使用，綜合成本下采用了改裝KIS-3R33S模塊，自設(shè)計控制電路。(KIS-3R33S改造帖子很多，蠻適合入門學習，百度文庫里也有幾篇不錯，我就不再整理了。)

圖1 KIS-3R33S原封裝

圖2 KIS-3R33S拆封后

3、KIS-3R33S的改造方向

其實KIS-3R33S就是帶了外圍的MP2307電路，一定要掌握了MP2307芯片的基本知識，改造起來才能易如反掌了。

根據(jù)蓄電池充電的特點，電池從低電壓開始充，先是恒流充電，然后恒壓充電，最后涓流充電，因此需要給KIS-3R33S加入限流和限壓功能;根據(jù)雙重保護的特點，需要將輸入、輸出電壓信號提供給AVR單片機進行采樣，掌握充電模塊的狀態(tài)，并提供模塊的控制接口交給單片機管理;電網(wǎng)支撐的要求，其實是當負載功率過大，太陽能電池板無法提供足夠能量時，太陽能電網(wǎng)電壓不斷下降，此時要求蓄電池能馬上將平時儲存的能量及時加入太陽能電網(wǎng)，防止太陽能電網(wǎng)電壓的崩潰。

4、KIS-3R33S的具體改造方法

①改造后的電路原理圖如圖3所示，PCB板(單面板，正面僅有4條短飛線)如圖4所示。

圖3 KIS-3R33S原理圖

②限壓和限流部分，一定要了解MP2307芯片F(xiàn)B端口的反饋原理，由TL431提供基準信號，通過可調(diào)電阻調(diào)理后與輸出的電壓和電流信號在LM358處進行比較，反饋給FB端口。大家注意，電阻R9限定了可調(diào)最高壓(R9=10K時，Vout最高約13.75V，如果想提高輸出電壓，則降低R9取值)，電阻R10限定了可調(diào)最高電流(R10=100K，Iout最高約4.55A，如果想提高輸出電流，則降低R10取值)。

③模塊的控制接口，要了解MP2307芯片EN端口，高電平工作，低電平關(guān)閉。在此處，設(shè)置了自鎖開關(guān)可手動控制，從AVR單片機引入EN信號可自動控制。與AVR單片機的接口為P1，V+為輸出電壓，Vin為輸入電壓，GND為地，EN為電路控制接口。有了輸入、輸出電壓AVR單片機就可以做自由控制了(何時充電，何時停止，可以在硬件的限壓、限流基礎(chǔ)上增加一層軟件保護，雙保險)。

④電網(wǎng)支撐，采用最穩(wěn)定的二極管方式，原理圖D1所示，但是在選擇上一定要采用硝特基，如SS54，最大工作電流5A，導通壓降0.55V(注意，D1是支撐二極管，D3是防輸出反饋二極管，兩者不需要同時存在，即有D1時，請取消D3)。

圖5 實物板頂部（背了散熱片）

該電路是借鑒淘寶網(wǎng)店上的限壓、限流充電模塊的基礎(chǔ)上，進行了完善和修訂，設(shè)置了比較精準的最高值限定，增加了手動和自動控制功能，并針對太陽能電網(wǎng)需要支撐的特點加入了支撐二極管D1（我還設(shè)計了包含限制輸入電壓過低的功能，用于測試太陽能電池板最大輸出功率跟蹤的實驗，大家感興趣可自行改造）。

高效智能充電模塊.rar

第三篇 主控——基于Atmega16A的單片機

一、太陽能主控板功能描述

1、實時監(jiān)測整個太陽能系統(tǒng)的參數(shù)：太陽能電池板輸出電壓和電流、負載端口電壓和電流、充電模塊電壓和電流、蓄電池電壓和電流，使用PA0~PA7引腳配置為采樣端口。

2、控制：根據(jù)系統(tǒng)實時參數(shù)，作出各種控制決策(修訂中)，但預(yù)留出PB0~PB5引腳作為控制接口。

3、人機信息交互界面：LCD1602和串口無線通信(待開發(fā)，初步意向是使用藍牙通訊，除了可以在PC上監(jiān)控，還能使用智能手機APP程序監(jiān)控)。LCD1602使用PC0~PC7作為數(shù)據(jù)端口，PD6、PD7作為控制端口。

4、集成電源，可以直接從主電路中取電。由于負載不大使用78M05芯片變換即可。

5、模塊化插接件，使用P20針插口進行聯(lián)結(jié)。

二、電路原理圖和PCB

圖一、主控電路原理圖

圖二、主控PCB板

三、完成后的實物

圖三、主控正面

圖四、主控背面

圖五、拆掉1602液晶后的正面圖

圖六、通過P20接口聯(lián)結(jié)到主電路板

四、已實現(xiàn)功能

1、實時監(jiān)控系統(tǒng)的電參數(shù)

圖七、液晶顯示第一頁說明

LCD1602液晶顯示第一頁數(shù)據(jù)解釋：第一行“S：”是solar的縮寫，代表太陽能，依次顯示的數(shù)據(jù)是太陽能電池板的輸出電壓、輸出電流、輸出功率，比如此刻太陽能電池板輸出電壓為12.6V，電流為1.96A，功率為24.7W;第二行“B”是Battery的縮寫，代表電池，依次顯示的數(shù)據(jù)是電池電壓、系統(tǒng)負載輸出電流、電池電流，這一行要注意正負號含義，此刻電池電壓12.5V，系統(tǒng)外接負載輸出電流2.63A(負號代表輸出)，電池輸出電流0.66A(原因是太陽能電能不足，只提供了部分能量還有部分由電池提供)。

LCD1602液晶顯示第二頁數(shù)據(jù)解釋：第一行是累計工作時間，此刻工作了7小時1分中;第二行是太陽能電池板累計發(fā)出電能，此刻累計發(fā)電95.6瓦時(注意，瓦時與我們?nèi)粘Ｓ秒娪嬃繂挝欢纫渤蔀榍邥r，相差1000倍哦!)由于要累計，故使用Atemga16A片內(nèi)EEPROM，掉電不丟失，每10分鐘才寫入一次(EEPROM寫入壽命畢竟有限)，但是統(tǒng)計還是實時的每秒累計一次。

五、設(shè)計中的體會和小結(jié)

1、AVR ATmega16A_TQFP封裝的底部可以不用焊接到板上(技術(shù)說明上要接地，當時不接地設(shè)計還蠻猶豫，最后證明沒問題)。

2、熔絲設(shè)置必須千萬個小心，如果你沒有插入晶振，確不小心選擇了外部晶振模式，那么馬上恭喜你，下一刻起你的AVR單片機將不能與ISP通訊了(單片機假死)，解決方法就是插入正確晶振才能恢復(fù)ISP通訊，還有一次我不小心選擇外部RC振蕩器，最后只好去查資料，選擇合適的電容和電阻構(gòu)成振蕩器才能恢復(fù)。再次提醒各位，設(shè)置錯了晶振等于無法通訊，所以設(shè)置熔絲位時要仔細。

圖九、PC外部振蕩器

3、我設(shè)計的LCD1602數(shù)據(jù)接口是PC0~PC7口，比較特殊(市面上開發(fā)的多為PB0~PB7)。當初第一版時LCD1602怎么也無法顯示，我換了2個新片子都不行，當我絕望時，借來調(diào)試神器——示波器，終于發(fā)現(xiàn)問題，原來PC口中有幾個引腳沒有輸出，原因是要和JTAG通訊的，影響了LCD1602的通訊，再去查資料，最后解決的方法是關(guān)閉熔絲位中“使能JTAG接口”。

4、另外要注意的數(shù)據(jù)寫到了EEPROM中，如果要重新刷程序，熔絲位中“執(zhí)行芯片擦除時，保留EEPROM內(nèi)容”要選上，不然累計的數(shù)據(jù)就被清零了。

5、ATmega16A芯片確實簡單，板子焊接調(diào)試方法就

①焊接ATmega16A芯片，檢查電源和地是否短路;

②焊接ISP座子，好了此刻你就可以開始下載程序了(需要的外圍電路真是太少了，晶振、電源都不用);

③焊接LCD1602接口，開始調(diào)試顯示功能(再提醒關(guān)閉熔絲位JTAG口);

④焊接78M05電源電路，可以使用 P1口獨立供電試驗是否正常;

⑤焊接AD采樣及主控接口，注意接到主電路板時一定要把正負方向選擇好，不然你懂得，呵呵。

6、AD采樣中分辨率問題：設(shè)定Ver=2.56V

電壓范圍和電流取樣電阻決定量程，精度和取樣電阻決定測量精度。舉例，我設(shè)計的電流取樣電阻為50mΩ，采樣方式為差分10倍放大，那么測量的電流范圍0.256/0.05=5.1A，電流測量精度(50*1)(mV)/0.5(mV)=100格，即0.01A。

也想自己做一套啊

第四篇 主電路——待完善部件

(最近一方面工作忙精力不多，另一方面是還在系統(tǒng)檢測第一次整合后的系統(tǒng)，所以帖子更新不多，往大家諒解，但我肯定還會繼續(xù)推動這個系統(tǒng)不斷完善和成熟，并與大家一起分享。第一次整合后的系統(tǒng)已經(jīng)無故障工作了80余小時，發(fā)電0.35度了，呵呵。)

主電路，遲遲沒有完善，現(xiàn)在僅僅具有基本的通路功能，但還是先介紹出來吧，不然整個系統(tǒng)差個東西就沒法工作了。重點是介紹在主電路設(shè)計時要注意的幾個問題或者說我走的彎路吧，大家直接消化吸收。

一、功能：太陽能電網(wǎng)的主通路，提供主控板、充電模塊、負載相應(yīng)的接口，必要的保護功能(待完善部分)，對各個接口的管理(待完善部分)就直接上原理圖，PCB板沒有意義(基本就是個電網(wǎng)通路)

圖1 主電路原理圖

說明：

1、電壓采樣是通過電阻分壓(1K和10K串聯(lián))后，送AVR采樣;

2、電流就是采樣0.05歐姆電阻的電位差，換算得來;

圖2 主電路實物