太陽(yáng)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)——蘑菇亭

1、太陽(yáng)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(wú)盡的補(bǔ)充電能。蘑菇亭適用建于野外公共場(chǎng)所，是游客們遮陽(yáng)、避雨的好地方。蘑菇亭也是一座小型的太陽(yáng)能發(fā)電站，但是它把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成了可直接利用的電能，故將之列入為太陽(yáng)能充電器。蘑菇亭提供USB® 口直流電和兩相交流電，有 40個(gè)USB接口和20個(gè)普通插座。USBg口直流電直接用于手機(jī)充電，5V直流型，具輸出量達(dá)500mA h,對(duì)一般的手機(jī)充電2小時(shí)即可完成。普通插座是220s50Hz通用性電力，能夠完全滿足游客對(duì)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(jì)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(yáng)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(yáng)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(jì)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(jì)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(yáng)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(yáng)能電池片。蘑菇高度為4 米蘑菇傘狀傾角27° 30° 水泥石凳長(zhǎng)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(gè)插孔旁邊設(shè)有投幣口2.3 太陽(yáng)能電池組件 蘑菇亭對(duì)硅片要求不高，一般的長(zhǎng)方形即可，組件根據(jù)傘狀凸面成型。為了達(dá)到對(duì)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(gè)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(hào)：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(hào)：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(diǎn)跟蹤型控制器1太陽(yáng)能發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池的負(fù)載電阻為零時(shí)，所測(cè)的電流為電池的短路電流。Isc值與太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，Isc 值略有上升。當(dāng)負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)，所測(cè)得的電壓為電池的開路電壓。太陽(yáng)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(wú)關(guān)。當(dāng)入射光譜輻照度變化時(shí)，太陽(yáng)能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對(duì)數(shù)成正比，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池的開路電壓值將下降。太陽(yáng)能電池在不同溫度、輻射強(qiáng)度下的電流電壓特性顯示了通過太陽(yáng)能電池 （ 組件） 傳送的電流Isc 與電壓在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池 （組件 ） 電路短路，即 U=0， 此時(shí)的電流為短路電流Isc ： 如果電路開路，即 I=0，此時(shí)的電壓為開路電壓Uoco太陽(yáng)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(yáng)能電池（ 組件 ） 的電壓上升時(shí)，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(shí)，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(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將躍過最大點(diǎn)，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(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓 Um又稱 為最大工作電壓；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流Im 又稱為最大工作電流：該點(diǎn)的功率，則稱為最大功率 Pm太陽(yáng)能電池在不同溫度、輻

7、射強(qiáng)度下 的P-V特性是一組具有各自一個(gè)最大功率點(diǎn)的曲線。 太陽(yáng)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(yáng)能電池兩端的電壓跟蹤Um就能實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。3.2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)方案太陽(yáng)能電池組經(jīng)Boost（ 直流直流升壓變換器） 電路對(duì)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(diǎn)跟蹤控制器尋找出太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)，給出控制信號(hào)，經(jīng)PW微寬調(diào)制式）驅(qū)動(dòng)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(yáng)能電池的輸出電壓），使 其與太陽(yáng)能電池組最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓相匹配，從而使太陽(yáng)能電池組始終輸出最大功率，充分利用

8、太陽(yáng)能。系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤控制器由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中最大功率跟蹤過程實(shí)際是一個(gè)太陽(yáng)能電池功率自尋優(yōu)的過程。對(duì)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(qiáng)度引起的Io 變化過程相比是一個(gè)漸變過程，所以只需測(cè)量蓄電池組電流Io的變化， 使其始終保持在當(dāng)前時(shí)刻下的最大值，即可確定太陽(yáng)能電池組工作在最大功率點(diǎn)。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(diǎn)跟蹤控制器中將當(dāng)前時(shí)刻的采樣電流Io（ 助與上一時(shí)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(shí)刻占空比D的變化，直接確定當(dāng)前時(shí)刻 D應(yīng)增大還是減小。最大功率點(diǎn)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(diǎn)跟蹤裝置中起到調(diào)節(jié)太陽(yáng)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(dòng)電路開通時(shí)間ton期間：二極管D反偏截止，電感L儲(chǔ)能，電容C給負(fù)載RL提供 能量；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路截止時(shí)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(shí)，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(diǎn)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(yáng)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(huì)小于蓄電池池組兩端的電壓，從而無(wú)法對(duì)蓄電池組充電。因此存在一個(gè)D的下限值Dmin,在D>Dmin的情況下，太陽(yáng)能電池才能對(duì)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(yáng)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(shí)，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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池最大功 率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Uin 值，此時(shí)太陽(yáng)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(dòng)電路，MOSFET(IRFP460f關(guān)管，蓄電池(24 V)。 單晶硅太陽(yáng)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?yàn)椋瓤蛰d，再電阻負(fù)載，最后蓄電池負(fù)載。測(cè)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(diǎn)跟蹤控制器最大功率點(diǎn)跟蹤控制器包括 A/ D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、D7A轉(zhuǎn)換三部分組成，主要作用是通過它來計(jì)算控制太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的占空比的變化方向。選用STC89C516RD+片機(jī)，是一種CMOS骯單片機(jī)，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(jī)算法程序流程如下圖示：算法程序是通過功率的變化來計(jì)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(shí)刻的電流I0(k) 和前一時(shí)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(shí)刻的占空比D(七)和前一時(shí)刻的D(k-1),根據(jù)功率曲線，若D(D>D(k-1),說明太陽(yáng)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(gè)模擬信號(hào)輸入口，可以對(duì)11 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行A D 轉(zhuǎn)換。在裝置中用了三個(gè)采樣通道，分別將外部的太陽(yáng)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(jī)的數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)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(gè)模擬

14、量輸出通道可供選擇。其作用是將單片機(jī)內(nèi)計(jì)算 出來的數(shù)字量的占空比轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸入到Boost變換器驅(qū)動(dòng)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(jī)的連接圖片機(jī)與D/A芯片TLC5618的接線圖。下圖是太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)裝置的總體接線圖，其中的單片機(jī)模塊對(duì)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(gè)模擬量輸入通道將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，然后由單片機(jī)進(jìn)行算法的計(jì)算，輸出一個(gè)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(yáng)能輸出電壓，使之與最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓相匹配。太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)裝置的總體接線圖單片機(jī)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(hào)：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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其硬件主要包括單片機(jī)及其輔助電路、顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)獲取模塊。系統(tǒng)中的信號(hào)流如下圖所示：智能投幣系統(tǒng)信號(hào)流程圖單片機(jī)采用AT89C521,為保障檢測(cè)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(jī)辨識(shí)硬幣的準(zhǔn)確性和可靠性。第四章 產(chǎn)品評(píng)估4.1 成本評(píng)估控制器 :400 元逆變器 :2500 元投幣系統(tǒng):350 元安裝費(fèi) :500 元太陽(yáng)電池片:3000 元1000kg 鋼筋 :360 元2m3 水泥砂漿:60