尤嘉成 张金业 王铖 陈硕 胥思菊
江南大学 江苏无锡 214000
技术领域
本发明涉及到电路搭建与不同形式电能转换的技术，传感器控制以及能源开发领域。
背景技术
随着科技的进步和人们生活水平的提高，各种高科技电子设备不断出现，人类对能源的需求不断的增多。而现阶段中国上发电量最多的方式就是火力发电，而其中的问题就在于用于火力发电的煤矿，石油资源都是不可再生资源，是取之有尽的，这也就伴随着一个严峻问题的产生，那就是能源危机。另一方面，火力发电给环境带来了严重的污染，环境保护也就非常重要，有英国这个前车之鉴，我们也就不能在走先污染后治理的老路，所以清洁的可再生能源就成为了万众瞩目的新星，它有望缓解甚至解决环境污染问题，也将会改变人类发展中的能源结构，从而来维持长久的可持续发展。
目前国内外对用于手机充电的太阳能光伏充电桩这一领域还存在空白现象。太阳能光伏手机充电桩的出现可以为我们的生活、工作及出行带来诸多便利，也可以弥补在当前领域的欠缺。在已有的各种便捷式充电设备中，并没有一种可以随时满足人们充电需求的设备，往往需要提前为设备进行蓄电，且有时不易携带。一种清洁的，无污染并且人性化便捷的充电设备可以满足广泛人们的充电需求，所以，研究一种可以隐形于自然环境中的太阳能充电桩设备具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的在于为人们手机充电提供便捷，甚至满足越来越多的充电设备的需要，填补国内光伏发电充电桩的空白，提高国民幸福感。
本发明所述的太阳能充电桩是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。采用独立光伏发电系统，系统主要由太阳能电池板、蓄电池、DC/DC变换器组成，如图1所示。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制部分组成。
该充电桩的特征在于：产品主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。
本发明包括以下步骤：
步骤1）发电系统框架搭建，主要确定所用到的电子元器件及硬件需求分析。
步骤2）配置的估算。
步骤3）以框架图为核心，配置估算为参考，对比分析各个电子器件的适用情况，选择合适的电子元器件进行硬件设计。
1.太阳能板的选择
太阳能电池利用光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换为电能。目前广泛使用的太阳能板包括单晶硅太阳能板、多晶硅太阳能板、多元化合物太阳能板。其中单晶硅太阳能板具有转化效率高、技术成熟、使用寿命长等特点，因此采用单晶硅太阳能电池板。
2.蓄电池
作为独立应急电力系统，储能是光伏发电系统中的重要组成部分。太阳能蓄电池用于贮存太阳能板受光照时产生的电能且向负载供电。结合太阳能供电的特点，因此需要蓄电池具有自身放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护以及对环境污染小等特点。目前国内在蓄电池发电系统中广泛使用的是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。
3.充电器主控电路的设计。
太阳能控制器是太阳能发电系统的重要设备，其性能的好坏直接影响太阳能发电系统的使用效果。目前，常规的控制器主要采用模拟电路，功能单一难以实现全面保护，在使用中保护点的参数较难改变，也很难实现温度补偿达到最佳工作效果，而且采用模拟电路系统性能会随着野外环境的变化发生变化，控制效果会打折扣。本发明设计的一种用微处理器为基础的控制器有更好的工作效果。
4.控制器的硬件设计
其具体的工作流程为：BUCK变换器实现从太阳能电池到蓄电池的充电转换，信号采集电路采集充放电时的电路的电流电压信号，采集到的信号直接送入MCU的A/D管脚，在MCU中，根据相应的控制算法和需求，通过调节输出，实现对变换器中开关管的控制，最终实现对蓄电池的合理充放电。
充电控制回路的工作原理。场效应管VT4是充电回路的电子开关，它的导通取决于其栅极的电位。当栅极处于高电位（8V）时导通，处于低电位（0V）时截止。而VT4栅极的电位又取决于VT3的状态：当VT3饱和时，VT4栅极处于低电位；当VT3截止时，VT4栅极处于高电位（由R9及VD4串联的稳压电路提供8V的电位）。VT3的饱和、截止又取决于IC1（单片机芯片）的③脚的输出电位。在正常情况下（指蓄电池需进行充电），IC1③脚的输出低电位（0V）——VT3截止——VT4导通（充电电子开关打开）——蓄电池被充电。充电回路为：光伏电池正极——VD5——FUSE（熔断器）——蓄电池的正极、负极——VT4——地（光伏电池负极）。
（ii）放电控制回路的工作原理。VT1是放电回路的电子开关，它的导通也同样取决于其栅极的电位。栅极处于高电位（8V）时导通；处于低电位（0V）时截止。而VT1栅极的电位又取决于VT2的状态：当VT2饱和时，VT1栅极处于低电位；当VT2截止时，VT1栅极处于高电位（由R1及VD1串联的稳压电路提供8V的电位）。VT2的饱和、截止又取决于IC1的②脚的输出电位。当正常情况下（指蓄电池有向负载的供电能力，即处于不“亏电”的状态），IC1②脚输出低电位（0V）——VT2截止——VT1导通（放电电子开关打开）——蓄电池向负载放电。放电回路为：蓄电池的正极——FUSE（熔断器）——负载——VT1——地——VT4（VD6）——蓄电池的负极。
综上所述，蓄电瓶的电压与充、放电控制电路的工作特性、工作状态如表1所示。
另外，电路中的IC2是三端集成稳压器，输入为蓄电池电压，输出为+5V，为IC1提供稳定的工作电压。C1、C2是低、高频滤波电容。
IC1④脚电位的高低，决定了VT1是否工作在间隙状态。当④脚为高电位（+5V）时，连续导通；而当④脚为低电位（0V）时，间隙导通，周期为4s，占空比为1/2。④脚电位的高低通过拨动开关“S”来实现。
论文作者:尤嘉成,张金业,王铖,陈硕,胥思菊
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第7期
论文发表时间:2019/5/6
标签：电位论文; 蓄电池论文; 栅极论文; 太阳能论文; 电路论文; 光伏论文; 负载论文; 《建筑模拟》2019年第7期论文;