太阳能产品设计——蘑菇亭

太阳能产品设计——蘑菇亭
第一章产品功能介绍
有着魔法一般能力的蘑菇亭，能为游客无尽的补充电能。

蘑菇亭适用建于野外公共场所，是游客们遮阳、避雨的好地方。

蘑菇亭也是一座小型的太阳能发电站，但是它把太阳能转换成了可直接利用的电能，故将之列入为太阳能充电器。

蘑菇亭提供USB接口直流电和两相交流电，有40个USB接口和20个普通插座。

USB接口直流电直接用于手机充电，5V直流型，其输出量达500mA·h，对一般的手机充电2小时即可完成。

普通插座是220V~50Hz通用性电力，能够完全满足游客对电能的需要。

1.1，游客只需投币一枚，即可享用电能一次。

1.2，蘑菇亭外观
1.3蘑菇亭近景
第二章产品设计
2.1蘑菇亭组成
蘑菇亭有：钢筋支架、钢筋片、水泥柱、水泥凳、光伏系统、投币系统。

水泥柱内部放置太阳能发电系统控制电路。

水泥凳内部放置投币系统、电力输出线路。

蘑菇顶层放置太阳能电池组，设有720小块多晶硅片。

2.2蘑菇及水泥凳设计
蘑菇部分材料需用1000kg钢筋做支架，支撑板；2m3水泥砂浆浇筑成蘑菇底部。

水泥石凳由大理石和水泥砂浆浇筑。

设计要求：
●蘑菇底部水泥柱底部直径为1米，内设可放置光伏电系统（太阳能电池组除外）的足够空腔。

●蘑菇水泥柱中部开设通风口
●蘑菇伞状直径为4米，可容纳足够的太阳能电池片。

●蘑菇高度为4米
●蘑菇伞状倾角27°~30°
●水泥石凳长2.5米，高度40cm，露地面高度30cm。

●水泥石凳内设空腔，用于电力输出线路
●水泥石凳每个插孔旁边设有投币口
2.3太阳能电池组件
蘑菇亭对硅片要求不高，一般的长方形即可，组件根据伞状凸面成型。

为了达到对电流的要求，可以用串联法适当提高电流。

第三章控制系统
3.1蓄电池
内设两个蓄电池，铅酸免维护蓄电池、微型铅酸蓄电池4V。

铅酸免维护蓄电池用于220V电路，微型铅酸蓄电池4V用于USB直流电路。

相关参数：
品牌：EAST易事特类型：其他电池盖和排气拴结构：阀控式密闭蓄电池
荷电状态：免维护蓄电
池
型号：NP65-12 化学类型：铅酸蓄电池
额定容量：65Ah 电压：220（V）外型尺寸：350*167*183（mm）产品认证：泰尔适用范围：UPS蓄电池
3.1.2
微型铅酸蓄电池
相关参数：
电池盖和排气拴结构：阀控式密闭蓄电池化学类型：铅酸蓄电池荷电状态：免维护蓄电池电压：4（V）型号：FP4200 额定容量：20.0AH 外型尺寸：149*43*154（mm）产品认证：CE
适用范围：UPS蓄电池
3.2控制器
控制器要求
系统电压：48V 充电电流：12A&0.1A 有过载、短路保护
3.2.1最大功率点跟踪型控制器1
太阳能发电的原理主要是半导体的光电效应。

当太阳能电池的负载电阻为零时，所测的电流为电池的短路电流。

Isc值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，Isc值越大。

同一块太阳能电池，其Isc与入射光的辐照度成正比：当环境温度升高时，Isc值略有上升。

当负载电阻无穷大时，所测得的电压为电池的开路电压。

太阳能电池的开路电压与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。

当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降。

太阳能电池在不同温度、辐射强度下的电流．电压特性显示了通过太阳能电池(组件)传送的电流Isc与电压％在特定的太阳辐照度下的关系。

如果太阳能电池(组件)电路短路，即U=0，此时的电流为短路电流Isc：如果电路开路，即I=0，此时的电压为开路电压Uoc。

太阳能电池(组件)的输出功率等于流经该电池(组件)的电流与电压的乘积，即P=IU。

当太阳能电池(组件)的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池(组件)的电压从0(短路条件下)开始增加时，电池(组件)的输出功率亦从0始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Uoc。

电池(组件)输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Um，又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im又称为最大工作电流：该点的功率，则称为最大功率Pm。

太阳能电池在不同温度、辐射强度下的P-V特性是一组具有各自一个最大功率点的曲线。

太阳能电池的输出是随着电压的变化而不规则变化的，只要控制太阳能电池两端的电压跟踪Um，就能实现最大功率的输出。

3.2.2最大功率点跟踪装置的设计方案
太阳能电池组经Boost(直流．直流升压变换器)电路对蓄电池组充电。

系统由A／D芯片采样蓄电池的电压和电流，再通过最大功率点跟踪控制器寻找出太阳能电池最大功率点，给出控制信号，经PWM(脉宽调制式)驱动电路调节Boost 变换器的占空比D，从而改变Boost变换器的Um(即太阳能电池的输出电压)，使其与太阳能电池组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使太阳能电池组始终输出最大功率，充分利用太阳能。

系统中最大功率点跟踪控制器由单片机系统实现。

系统中最大功率跟踪过程实际是一个太阳能电池功率自寻优的过程。

对于以蓄电池作为负载的情况，考虑到充电过程中蓄电池两端的电压变化与温度和辐射强度引起的Io变化过程相比是一个渐变过程，所以只需测量蓄电池组电流Io的变化，使其始终保持在当前时刻下的最大值，即可确定太阳能电池组工作在最大功率点。

系统中蓄电池组的Io经采样后，进行A／D转换，在最大功率点跟踪控制器中将当前时刻的采样电流Io(助与上一时刻的采样电流Io(k一1)相比较，确定功率变化的方向，再结合上～时刻占空比D的变化，直接确定当前时刻D应增大还是减小。

最大功率点跟踪装置系统图
3.2.3Boost直流一直流升压电路
Boost升压电路在最大功率点跟踪装置中起到调节太阳能输出电压，达到电力稳定的作用。

图2为Boost变换器的基本电路。

其工作原理为：开关管驱动电路开通时间ton期间：二极管D反偏截止，电感L储能，电容C给负载RL提供能量；开关管驱动电路截止时间如toff期间：二极管D导通，电感L经二极管D给电容充电，并向负载RL提供能量。

其输出电压为：式1
式中占空比D=to．／rs(开关周期)。

当D=0时，Vo=％，但D不能为l，因此在o≤D<l的变化范围内Vo大于输入电压Uin。

在所描述的最大功率点跟踪系统中，Boost变换器的负载为蓄电池组，输出电压虬的值将被箝位于蓄电池组两端的电压。

由于输入端电压最高为太阳能电池的开路电压Uoc<Vo，如果D值过小，由上式可知，Boost电路在输出端产生的电压将会小于蓄电池池组两端的电压，从而无法对蓄电池组充电。

因此存在一个D的下限值Dmin，在D>Dmin的情况下，太阳能电池才能对蓄电池组的充电电流产生影响。

该值可按下列方法求出。

设输入端电压为太阳能电池的开路电压Uoc，则由上式可得：式2
当D在Dmin到100％的区间内变化时，Boost电路输入输出端的电压应满足(1)式，在Uo不变的情况下，改变D将改变与Boost变换器输入端相连的太阳能电池两端的电压。

由此可得：式3
因此，Boost电路的输入端电压Uin可在0～Uoc之间变化。

只要太阳能电池具有合适的开路电压，通过改变Boost占空比D，就能找到与太阳能电池最大功率点对应的Uin值，此时太阳能电池输出功率最大。

本系统中Boost电路的组成及元件参数为：电感(820mH／1．5A)，二极管(5A)，电容(16uf／400V)，TL494驱动电路，MOSFET(IRFP460)开关管，蓄电池(24V)。

单晶硅太阳能电池的技术参数：开路电压21．5V，最大短路电流1．63A。

Boost 电路的调试顺序为，先空载，再电阻负载，最后蓄电池负载。

测试结果表明Boost 输出与输入基本符合U0=Uin/（1-D)的关系。

其控制电压和占空比呈线性关系，两者比率约为0.3。

3.2.4最大功率点跟踪控制器
最大功率点跟踪控制器包括A／D转换、单片机、D／A转换三部分组成，主要作用是通过它来计算控制太阳能电池最大功率点的占空比的变化方向。

选用STC89C516RD+单片机，是一种CMOS8位单片机，在电路中主要是起处理数据和控制数据的作用。

单片机算法程序流程如下图示：
算法程序是通过功率的变化来计算占空比的增减。

首先初始化I0和D(k)，D(k-1)，然后采集蓄电池电流I0和D(k），比较当前时刻的电流I0(k)和前一时刻的电流I0(k-1)，如果Io(k)>／Io(k-1)，说明功率是增加的，再比较当前时刻的占空比D(七)和前一时刻的D(k-1)，根据功率曲线，若D(D>D(k-1)，说明太阳能电池的电压Uin是减小的，是往输出大功率方向的，所以为了使Uin减小，D(k)应增大，反之则减小。

达到最大功率跟踪的目的。

装置中采用的AID转换电路是一块具有12位精度的A／D转换芯片TLC2543。

它具有11个模拟信号输入口，可以对11个数据进行A／D转换。

在装置中用了三个采样通道，分别将外部的太阳能电池电压、蓄电池的电压，和蓄电池的充电电流转换成单片机的数字信号以便单片机的数字处理。

D／A转换芯片采用12位精度的TLC5618，它有两个模拟量输出通道可供选择。

其作用是将单片机内计算出来的数字量的占空比转换成模拟量信号输入到Boost变换器驱动电路PWM控制芯片的控制端。

本装置输出选用的是OUTA通道(由16位数据的高四位决定)。

TLC2543与单片机的连接图片机与D／A芯片TLC5618的接线图。

下图是太阳能最大功率点装置的总体接线图，其中的单片机模块对应于图7。

装置通过120Ω的采样电阻进行采样，10Ω电阻采样输出电流，通过三个模拟量输入通道将数据传送到单片机中，然后由单片机进行算法的计算，输出一个控制量，再通过D／A芯片转换，将输出量送到TL494芯片的控制端玩1，以控制PWM 的宽度，从而调节Boost电路的占空比D，来控制太阳能输出电压，使之与最大功率点对应的电压相匹配。

太阳能最大功率点装置的总体接线图
单片机接线图
3.3逆变器
佰威特纯正弦波电源转换器
相关参数：
品牌：佰威特
型号：48V转220V&24V转220V&12V转220V 持续输出功率：2500W
电压转换功能：48V-220V互换是否带USB：否
3.4离网光伏蓄电系统
3.5投币系统2
系统应属单片机应用系统，其硬件主要包括单片机及其辅助电路、显示模块、执行机构、信号获取模块。

系统中的信号流如下图所示：
智能投币系统信号流程图
单片机采用AT89C52型，为保障检测精度，系统采用12MHz晶体振荡器。

晶振频率稳定获得保证了本机辨识硬币的准确性和可靠性。

第四章产品评估
4.1成本评估
太阳电池片:3000元1000kg钢筋:360元
2m3水泥砂浆:600元
铅酸蓄电池:680元
微型铅酸蓄电池:320元控制器:400元逆变器:2500元投币系统:350元安装费:500元
总计：8710元
4.2整体评估
该产品所用设备领先，公益性好，假如每位游客使用1小时，那么每天至少有240位游客使用，一天平均收入240×1.5=360元，一年收入360×365=131400元。

减去维护费5000元，年净收入126400元。

一年内即可获利。

参考文献
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
[文档可能无法思考全面，请浏览后下载，另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意!]
1周令琛，王晓伟，太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实现，上海第二大学学报第26卷，2009年9月。

2吴火松，投币式太阳能手机加油站设计2012年。