第一篇 能量的來(lái)源——太陽(yáng)能電池板

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

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

3、參數(shù)說(shuō)明

太陽(yáng)能電池板銘牌

Maximum Power (Pm) : 最大功率50瓦

Open-Circuit Voltage (Voc) : 開(kāi)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(shí)輸出電壓18伏

Maximum Power Current (Imp): 最大功率時(shí)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(shí)溫度范圍零下40攝氏度~85攝氏度

Tolerance : 誤差正負(fù)3%

Weight : 重量4.6公斤

測(cè)試條件： 光照強(qiáng)度 1000W/M2 光譜 AM1.5 溫度 25攝氏度

警告：太陽(yáng)能電池板一旦暴露在光線中就會(huì)產(chǎn)生電能。有兩種級(jí)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(jí)聯(lián)方式時(shí)可能會(huì)引起火災(zāi)，使用時(shí)要小心，做好保護(hù)措施。

4、太陽(yáng)能電池板使用的保護(hù)問(wèn)題

太陽(yáng)能電池板使用時(shí)，應(yīng)避免短路和反充。反充是指電路給太陽(yáng)能電池板充電，即太陽(yáng)能電池板的輸出電壓小于端口電壓，端口對(duì)電池板放電。反充會(huì)損壞太陽(yáng)能電池板內(nèi)部的光電變換單元，長(zhǎng)期反充會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池板整體性能。太陽(yáng)能電池板的保護(hù)一般采用二極管來(lái)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(yáng)能電池板輸出端串聯(lián)。其作用之一是防止太陽(yáng)能電池組件或方陣在不發(fā)電時(shí)，蓄電池的電流反過(guò)來(lái)向組件或方陣倒送，不僅消耗能量，而且會(huì)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?yàn)椴⒙?lián)各路的輸出電壓不可能絕對(duì)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(huì)流向低電壓支路，甚至?xí)狗疥嚳傮w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(dú)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(shí)，組件輸出就不需要再接二極管了。

要特別注意的是損耗問(wèn)題，防反充二極管存在正向?qū)▔航?，串?lián)在電路中會(huì)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(yáng)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(dāng)有較多的太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)組成電池方陣時(shí)，需要在每塊電池板的正負(fù)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(gè)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(shí)，在該組件旁路二極管兩端會(huì)形成正向偏壓使二極管導(dǎo)通，組件串工作電流繞過(guò)故障組件，經(jīng)二極管流過(guò)，不影響其他正常組件的發(fā)電，同時(shí)也保護(hù)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(gè)二極管。 旁路二極管也不是任何場(chǎng)合都需要的，當(dāng)組件單獨(dú)使用或并聯(lián)使用時(shí)，是不需要接二極管的。對(duì)于組件串聯(lián)數(shù)量不多且工作環(huán)境較好的場(chǎng)合，也可以考慮不用旁路二極管。一般電池板出廠時(shí)都并聯(lián)了旁路二極管。

5、太陽(yáng)能電池板的安裝

一般太陽(yáng)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(yáng)能，太陽(yáng)能電池板安裝時(shí)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(shí)，方位角朝向正南(即電池板垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽(yáng)電池發(fā)電量是最大的。在偏離30°時(shí)，發(fā)電量將減少約10%～15%;在偏離60°時(shí)，發(fā)電量將減少約20%～30%。 在夏天，太陽(yáng)輻射能量的最大時(shí)刻是在午后，因此方位角稍微向西偏一些時(shí)，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(yáng)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(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。對(duì)于方位角為0°時(shí)，傾斜角從水平(傾斜角為0°)開(kāi)始逐漸向最佳的傾斜角過(guò)渡時(shí)，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(shí)，發(fā)電量下降到最小。

有一組經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)使用地點(diǎn)的緯度來(lái)設(shè)置傾斜角：

(1)緯度為0°-25°時(shí)，太陽(yáng)能板的傾斜角度與緯度相同;

(2)緯度為26°-40°時(shí)，太陽(yáng)能板的傾斜角度為緯度+(5-10)°;

(3)緯度為41°-55°時(shí)，太陽(yáng)能板的傾斜角度為緯度+(10-15)°;

(4)緯度>55°時(shí)，太陽(yáng)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(yáng)能電池板時(shí)，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(dāng)然可以考慮制作可旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。

太陽(yáng)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(yáng)能電池板提供的能量(15~20V直流電)，給蓄電池(12V)充電，儲(chǔ)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(hù)(硬件電路限壓、限流，同時(shí)提供單片機(jī)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(chǎng)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(gè)簡(jiǎn)易效率測(cè)試平臺(tái)LM2596模塊的平均效率勉強(qiáng)80%)，而且發(fā)熱嚴(yán)重，電流上到1.5A時(shí)不敢往上調(diào)(這還是增加散熱片的情況)。通過(guò)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(gè)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(gè)續(xù)流二極管，因此傳統(tǒng)Buck變換電路的效率是很難達(dá)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(shí)高效率也意味著低損耗，發(fā)熱小。同步整流方式其實(shí)是對(duì)傳統(tǒng)的Buck降壓電路的改良，通過(guò)給二極管并聯(lián)低導(dǎo)通阻抗的MOSFET，并有時(shí)序要求的(即同步方式)導(dǎo)通來(lái)代替二極管，從而提高效率。通過(guò)KIS-3R33S同步降壓模塊的學(xué)習(xí)，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(jì)控制電路。(KIS-3R33S改造帖子很多，蠻適合入門學(xué)習(xí)，百度文庫(kù)里也有幾篇不錯(cuò)，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(shí)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(shí)，改造起來(lái)才能易如反掌了。

根據(jù)蓄電池充電的特點(diǎn)，電池從低電壓開(kāi)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(hù)的特點(diǎn)，需要將輸入、輸出電壓信號(hào)提供給AVR單片機(jī)進(jìn)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(jī)管理;電網(wǎng)支撐的要求，其實(shí)是當(dāng)負(fù)載功率過(guò)大，太陽(yáng)能電池板無(wú)法提供足夠能量時(shí)，太陽(yáng)能電網(wǎng)電壓不斷下降，此時(shí)要求蓄電池能馬上將平時(shí)儲(chǔ)存的能量及時(shí)加入太陽(yáng)能電網(wǎng)，防止太陽(yáng)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(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)理后與輸出的電壓和電流信號(hào)在LM358處進(jìn)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(shí)，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(kāi)關(guān)可手動(dòng)控制，從AVR單片機(jī)引入EN信號(hào)可自動(dòng)控制。與AVR單片機(jī)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(jī)就可以做自由控制了(何時(shí)充電，何時(shí)停止，可以在硬件的限壓、限流基礎(chǔ)上增加一層軟件保護(hù)，雙保險(xiǎn))。

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(dǎo)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(shí)存在，即有D1時(shí)，請(qǐng)取消D3)。

圖5 實(shí)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(jìn)行了完善和修訂，設(shè)置了比較精準(zhǔn)的最高值限定，增加了手動(dòng)和自動(dòng)控制功能，并針對(duì)太陽(yáng)能電網(wǎng)需要支撐的特點(diǎn)加入了支撐二極管D1（我還設(shè)計(jì)了包含限制輸入電壓過(guò)低的功能，用于測(cè)試太陽(yáng)能電池板最大輸出功率跟蹤的實(shí)驗(yàn)，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(jī)

一、太陽(yáng)能主控板功能描述

1、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的參數(shù)：太陽(yáng)能電池板輸出電壓和電流、負(fù)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(shí)時(shí)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(jī)信息交互界面：LCD1602和串口無(wú)線通信(待開(kāi)發(fā)，初步意向是使用藍(lán)牙通訊，除了可以在PC上監(jiān)控，還能使用智能手機(jī)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(fù)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(jìn)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(shí)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(guò)P20接口聯(lián)結(jié)到主電路板

四、已實(shí)現(xiàn)功能

1、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的電參數(shù)

圖七、液晶顯示第一頁(yè)說(shuō)明

LCD1602液晶顯示第一頁(yè)數(shù)據(jù)解釋：第一行“S：”是solar的縮寫(xiě)，代表太陽(yáng)能，依次顯示的數(shù)據(jù)是太陽(yáng)能電池板的輸出電壓、輸出電流、輸出功率，比如此刻太陽(yáng)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(xiě)，代表電池，依次顯示的數(shù)據(jù)是電池電壓、系統(tǒng)負(fù)載輸出電流、電池電流，這一行要注意正負(fù)號(hào)含義，此刻電池電壓12.5V，系統(tǒng)外接負(fù)載輸出電流2.63A(負(fù)號(hào)代表輸出)，電池輸出電流0.66A(原因是太陽(yáng)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(yè)數(shù)據(jù)解釋：第一行是累計(jì)工作時(shí)間，此刻工作了7小時(shí)1分中;第二行是太陽(yáng)能電池板累計(jì)發(fā)出電能，此刻累計(jì)發(fā)電95.6瓦時(shí)(注意，瓦時(shí)與我們?nèi)粘Ｓ秒娪?jì)量單位度也成為千瓦時(shí)，相差1000倍哦!)由于要累計(jì)，故使用Atemga16A片內(nèi)EEPROM，掉電不丟失，每10分鐘才寫(xiě)入一次(EEPROM寫(xiě)入壽命畢竟有限)，但是統(tǒng)計(jì)還是實(shí)時(shí)的每秒累計(jì)一次。

五、設(shè)計(jì)中的體會(huì)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(shuō)明上要接地，當(dāng)時(shí)不接地設(shè)計(jì)還蠻猶豫，最后證明沒(méi)問(wèn)題)。

2、熔絲設(shè)置必須千萬(wàn)個(gè)小心，如果你沒(méi)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(jī)將不能與ISP通訊了(單片機(jī)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(cuò)了晶振等于無(wú)法通訊，所以設(shè)置熔絲位時(shí)要仔細(xì)。

圖九、PC外部振蕩器

3、我設(shè)計(jì)的LCD1602數(shù)據(jù)接口是PC0~PC7口，比較特殊(市面上開(kāi)發(fā)的多為PB0~PB7)。當(dāng)初第一版時(shí)LCD1602怎么也無(wú)法顯示，我換了2個(gè)新片子都不行，當(dāng)我絕望時(shí)，借來(lái)調(diào)試神器——示波器，終于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，原來(lái)PC口中有幾個(gè)引腳沒(méi)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(xiě)到了EEPROM中，如果要重新刷程序，熔絲位中“執(zhí)行芯片擦除時(shí)，保留EEPROM內(nèi)容”要選上，不然累計(jì)的數(shù)據(jù)就被清零了。

5、ATmega16A芯片確實(shí)簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(dú)立供電試驗(yàn)是否正常;

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

6、AD采樣中分辨率問(wèn)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(cè)量精度。舉例，我設(shè)計(jì)的電流取樣電阻為50mΩ，采樣方式為差分10倍放大，那么測(cè)量的電流范圍0.256/0.05=5.1A，電流測(cè)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(cè)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(huì)繼續(xù)推動(dòng)這個(gè)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(wú)故障工作了80余小時(shí)，發(fā)電0.35度了，呵呵。)

主電路，遲遲沒(méi)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(lái)吧，不然整個(gè)系統(tǒng)差個(gè)東西就沒(méi)法工作了。重點(diǎn)是介紹在主電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意的幾個(gè)問(wèn)題或者說(shuō)我走的彎路吧，大家直接消化吸收。

一、功能：太陽(yáng)能電網(wǎng)的主通路，提供主控板、充電模塊、負(fù)載相應(yīng)的接口，必要的保護(hù)功能(待完善部分)，對(duì)各個(gè)接口的管理(待完善部分)就直接上原理圖，PCB板沒(méi)有意義(基本就是個(gè)電網(wǎng)通路)

圖1 主電路原理圖

說(shuō)明：

1、電壓采樣是通過(guò)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(lái);

圖2 主電路實(shí)物