康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

基于ARM的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是普通家庭使用清潔能源的重要研究方向。通過對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出一套以基于ARM9的MPPT光伏控制器為核心的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，該系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)化率、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于開發(fā)家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的推廣作用。

清潔能源；光伏發(fā)電；嵌入式系統(tǒng)

能源是人們生存發(fā)展必不可少的因素。但是隨著工業(yè)化的進(jìn)程，人們現(xiàn)在主要使用的石油資源已經(jīng)逐漸枯竭。雖然我們花費(fèi)了大量的金錢和精力在地球的每個(gè)角落尋找，但是已探明的化石資源僅僅能夠維持人們使用不足百年。百年之后我們的工業(yè)化進(jìn)程不能終止，那么探索新能源就成為如今最熱門的話題之一。

現(xiàn)在人們主要使用的新能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等，其中風(fēng)能的開發(fā)地域限制很大，核能的開發(fā)技術(shù)成本很高并且還有潛在的核泄漏污染。通過比較，太陽(yáng)能就成了最“廉價(jià)”的新能源。太陽(yáng)每分鐘照射地球的能量相當(dāng)于4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量，并且在人們可以預(yù)計(jì)的未來，太陽(yáng)能不但是沒有污染的能源，而且還是取之不盡用之不竭的寶藏。早在1997年，美國(guó)便率先提出了“百萬(wàn)屋頂”的計(jì)劃，大力發(fā)展家庭光伏產(chǎn)業(yè)。我國(guó)也針對(duì)國(guó)家環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)西部地區(qū)同樣展開類似的計(jì)劃。近年來由于供電需求越來越大，國(guó)家對(duì)于火電等消耗型發(fā)電的限制，“屋頂計(jì)劃”的發(fā)起者，上海交通大學(xué)光伏發(fā)電研究所的崔教授發(fā)出呼吁：不能浪費(fèi)頭頂?shù)年?yáng)光。本設(shè)計(jì)便是針對(duì)普通家庭的用電需求以及經(jīng)濟(jì)成本的考慮，設(shè)計(jì)出的一套基于ARM的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)的整體方案及電路原理

本設(shè)計(jì)一方面考慮到了家庭用電的消耗隨著季節(jié)變化會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)性以及連續(xù)陰雨天氣等不確定因素對(duì)光伏發(fā)電的影響，設(shè)計(jì)了裝有售電電表和購(gòu)電電表雙電表模式的設(shè)計(jì)模型。主要的組成部分包括：太陽(yáng)電池矩陣、基于ARM9的MPPT控制器、光伏發(fā)電系統(tǒng)專用的膠體蓄電池、逆變器以及售電電表和購(gòu)電電表?；窘Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 家庭光伏系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基本原理為[1-2]：在光照強(qiáng)的時(shí)候，太陽(yáng)能通過太陽(yáng)電池矩陣轉(zhuǎn)換成電能，通過控制器直接給直流負(fù)載供電并將剩余電能存儲(chǔ)起來，同時(shí)還可以通過逆變器轉(zhuǎn)換直流電為交流電給交流負(fù)載供電。假如電量仍舊有剩余則通過售電電表把自家光伏產(chǎn)電并入電網(wǎng)，獲得一定收入。在光照弱或者夜晚的時(shí)候由蓄電池進(jìn)行家庭供電，如果遇到連續(xù)的陰雨天氣或者其他原因?qū)е碌募彝ル娏坎蛔氵€能夠通過購(gòu)電電表從電網(wǎng)購(gòu)電，以保證正常用電。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)所涉及的元件主要有太陽(yáng)電池矩陣、控制器、蓄電池和逆變器。下面將對(duì)元件的選擇及設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要說明。

2.1 太陽(yáng)電池矩陣

太陽(yáng)電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的關(guān)鍵部件，本設(shè)計(jì)采用布雷科曼品牌單晶硅太陽(yáng)電池板。該電池板的轉(zhuǎn)換率能夠達(dá)到17.5%，規(guī)格為540 mm×1 200 mm，工作電壓19.30 V，輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)12 V，工作電流5.18 A，最大輸出功率為100 Wp，完全符合家庭光伏發(fā)電的實(shí)際需求。太陽(yáng)電池的能效電路圖如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)電池能效電路圖

由于所采用的蓄電池的輸入電壓為12 V，故在布置太陽(yáng)電池矩陣的時(shí)候采用單片串聯(lián)成單組、多組并聯(lián)的設(shè)計(jì)。由調(diào)查分析可得到普通家庭負(fù)載日均消耗量在400 Ah，均日照峰值實(shí)數(shù)為4.1 h。為保證大多數(shù)家庭的正常使用，本設(shè)計(jì)采用450 Ah的消耗量，4 h的峰值日照數(shù)，由公式：

式中：Np為串聯(lián)電池?cái)?shù)；Imp為正常工作下的電流；Hp為峰值日照數(shù)；0.8為功率輸出比；QL為消耗量。代入系數(shù)可得到并聯(lián)數(shù)Np為27。所以本設(shè)計(jì)采用27片太陽(yáng)電池板并聯(lián)的方式，最大輸出功率為2 700 W。

2.2 蓄電池

蓄電池在系統(tǒng)中扮演著能量存儲(chǔ)的重要角色。一個(gè)安全可靠、容量大的蓄電池可以保證整個(gè)系統(tǒng)正常流暢地運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)專用的膠體鉛酸電池。專用的膠體鉛酸電池環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠完全適應(yīng)現(xiàn)在普通情況下的任何環(huán)境。在槽體之間和及群組周圍有大量的凝膠電解質(zhì)，有較好的散熱性和較大的熱容量。并且該電池充電過程中無(wú)酸霧，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

綜合經(jīng)濟(jì)以及實(shí)際效果設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的蓄電池依舊采用單組電池并聯(lián)的模式。對(duì)于蓄電池的總?cè)萘靠梢酝ㄟ^如下公式得到：

式中：QL為日均耗電量；A為系統(tǒng)的安全系數(shù)；Dt為連續(xù)陰雨的天數(shù)；T0為低溫修正系數(shù)，DOD為放電深度。

假設(shè)連續(xù)陰雨的天數(shù)為4天，安全系數(shù)取1.2，低溫修正系數(shù)取1.1，放電深度為0.8。那么可以得到蓄電池的總?cè)萘緾的值是2 970 Ah。由公式：

可以得到蓄電池的并聯(lián)塊數(shù)為11塊，即蓄電池組采用11塊膠體鉛酸電池進(jìn)行并聯(lián)，從而可以基本滿足普通家庭的正常使用。

2.3 逆變器

由于太陽(yáng)電池板所獲得的電為直流電，并且蓄電池工作時(shí)放出的也是直流電，但是我們普通的家用電器多為220 V的交流電，這樣就需要在進(jìn)入負(fù)載之前，尤其是進(jìn)入交流負(fù)載之前需要添加一個(gè)直流-交流逆變器以保證正常的使用。

現(xiàn)在常見的逆變器主要有三種：無(wú)變壓器型、高頻變壓器型和低頻變壓器型。由于本設(shè)計(jì)針對(duì)的客戶群為普通家用，沒有必要采用高技術(shù)指標(biāo)的變壓器型，選擇轉(zhuǎn)化高效的無(wú)變壓器型符合效益與經(jīng)濟(jì)的雙重標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 控制器

控制器的選擇標(biāo)準(zhǔn)是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，選擇合適的控制器可以增加電量的轉(zhuǎn)換率、提高系統(tǒng)的使用壽命從而獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)采用基于ARM9的MPPT光伏控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理控制工作。詳細(xì)介紹見文章第三部分。

3 核心控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用以ARM920T為核心的S3C2400芯片。該芯片是一個(gè)嵌入式應(yīng)用的集成系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)主要使用S3C2400芯片的PWM定時(shí)器、片內(nèi)10位AD轉(zhuǎn)換器和GPIO端口。其所具有的主要特征為：16/32位RISC體系構(gòu)架，具有ARM920T的強(qiáng)大指令集系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)了AMBA和MMU總線；支持Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 太陽(yáng)電池板輸出檢測(cè)控制電路

由整體結(jié)構(gòu)圖我們可以知道，太陽(yáng)電池矩陣在完成太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換之后首先進(jìn)入核心控制器。由于S3C2400芯片AD轉(zhuǎn)換的電壓不能超過3.3 V，但是太陽(yáng)電池板的正常輸出電壓為12 V，最大峰值電壓能夠達(dá)到19.3 V。這樣就需要分壓電路進(jìn)行分壓處理才能實(shí)現(xiàn)控制，本設(shè)計(jì)綜合考慮串聯(lián)電阻對(duì)于主電路的影響，故采用大電阻進(jìn)行并聯(lián)。使用的電阻分別為60和9.3 kΩ，同時(shí)在輸入端9.3 kΩ電阻上并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容以消除噪聲。具體的電路圖如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)電池板輸出電壓采集電路

太陽(yáng)電池板輸出的電流采樣電路的原理是將電流值轉(zhuǎn)換成電壓值進(jìn)行分析，采集電阻兩端的壓降，再通過歐姆定律進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池板輸出電流的檢測(cè)。本著檢測(cè)控制電路對(duì)主電路最低影響的原則，采用毫歐級(jí)別的電阻進(jìn)行壓降檢測(cè)。由于壓降幅度非常小，故添加一個(gè)調(diào)理電路對(duì)壓降值進(jìn)行放大處理。具體的電路圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)電池板電流采集放大電路

3.2 蓄電池電流和電壓采集電路

蓄電池的電壓采集電路與太陽(yáng)電池板的電壓采集電路類似，在此不再重復(fù)介紹。

蓄電池的電流采集電路與太陽(yáng)電池板的電流采集電路類似，同樣不再進(jìn)行重復(fù)介紹。

3.3 反接保護(hù)電路

為了防止太陽(yáng)電池板和蓄電池反接造成的損害，在控制器中設(shè)置了太陽(yáng)電池板和蓄電池反接保護(hù)電路，主要由反接二極管、LED顯示燈和保險(xiǎn)絲組成。由于太陽(yáng)電池板的反接保護(hù)電路和蓄電池的反接保護(hù)電路類似，故只介紹太陽(yáng)電池板的反接保護(hù)電路。具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 反接保護(hù)電路

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ARM的家庭光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本功能，并且具有電網(wǎng)售電和電網(wǎng)購(gòu)電的功能設(shè)計(jì)，可以完全實(shí)現(xiàn)普通家庭太陽(yáng)能的正常使用，并且符合現(xiàn)在整個(gè)國(guó)家甚至全球都在提及的減少溫室氣體排放的理念。本設(shè)計(jì)適用于在蒙古草原以及祖國(guó)西部這些地廣人稀的地方，既減輕了國(guó)家對(duì)于邊陲電網(wǎng)建設(shè)的壓力，又在一定程度上增加了使用者的經(jīng)濟(jì)收入。

[1]成思源，周金平.技術(shù)創(chuàng)新方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2]美國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能協(xié)會(huì).太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)計(jì)與安裝指南[M].修訂版.李雅琪，譯.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

Design of household photovoltaic power generation system based on ARM

KANG Di,JING Ting-ting
(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

The design of household photovoltaic power generation system is an important research direction of clean energy in ordinary family use.Through comparison and analysis,a set of household photovoltaic power generation system was designed with ARM9-based MPPT photovoltaic controller as the core.After experimental test,the system has the advantages of high conversion rate and high reliability.It has a certain promotion effect on developing household photovoltaic power generation system.

clear energy;photovoltaic power generation;ARM

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1683-03

2016-02-18

康迪(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)。