太阳能电池板输出功率智能控制装置设计

太阳能电池板输出功率智能控制装置设计

黄克亚(南京铁道职业技术学院，215137)

摘要：论文给出了一种太阳能电池板最大输出功率控制装置设计方法，其系统由太阳能电池板，检测电路，DC-DC变换器，控制器，直流负载等部分组成。该装置通过实时采样太阳能电池板输出功率，计算并调整DC-DC变换器占空比，改变负载吸收功率，使太阳能电池板始终输出最大功率，实现太阳能的有效利用。该系统具有性价比高，设计维护方便，工作稳定可靠的优点。

关键词：太阳能电池板、最大输出功率、DC-DC变换、跟踪算法

The design of solar cells maximum output power control device

Huang Keya

Nanjing Institute of Railway Technology,Suzhou Jiangsu215137

Abstract:In this paper,the design method of the solar cells maximum output power control was introduced.And it was made up of solar panels,detection circuit,DC-DC transform circuit,controller,DC load,etc.With this device,the effective use of the solar energy was realized by sampling the solar cells output power real-time,calculating and adjusting the duty ratio of DC-DC converter,and changing the load absorption power to make the solar panels always keep the most high output power.This system has a cost-effective,easy maintenance design,stable and reliable advantage.

Keywords:solar panels,maximum output power,DC-DC converter,tracking algorithm

1引言

随着能源问题和环境问题的日益突出，作为清洁能源的太阳能越来越受到重视。近年来，太阳能光伏发电的研究和应用有了突飞猛进的增长，成为新能源的研究热点之一。目前制约太阳能光伏发电系统进一步发展因素主要有高昴的制造成本和较低的转换效率。众所周知，太阳能电池板存在一个最大输出功率点，为有效地利用太阳能，必须对太阳能电池板进行最大功率点跟踪，即在不同温度和光照条件下，太阳能电池板始终能够输出最大功率。

目前市场已存在太阳电池板最大功率控制装置，但大多数采用模拟电路构造而成，这类控制装置，虽然价格较为便宜，但实现较为复杂，可靠性存在一定的挑战；而且一种控制装置一般只能实现一种简单的跟踪算法，比方说恒定电压法，其跟踪效果较差[1]。目前最大输出功率跟踪算法已呈现精确化、复杂化趋势，比方说模糊控制法、神经网络法，采用模拟控制装置已很难实现如此复杂的跟踪算法；而且由一种跟踪算法更新为另外一种跟踪算法对于模拟系统来说往往意味着重新设计。随着微电子技术和集成电路制造工艺的不断发展，电子器件的价格有了大幅下降，以微处理器为核心的嵌入式数字系统实现太阳能电池板最大输出功率控制显得更加经济高效[2]。

2系统组成

针对现有技术的不足，本设计提供一种基于微处理器的最大输出功率控制装置，该装置可以用于太阳能电池板最大输出功率跟踪控制，以实现对太阳能的有效利用。系统的组成结构如图1所示。其中包括太阳能电池板、DC-DC变换器、直流负载、检测电路、驱动隔离电路、稳压电路、ISP下载电路、控制器、显示装置等功能部件。太阳能电池板与DC-DC变换器相连，DC-DC变换器与直流负载相连。太阳能电池板经检测电路与控制器相连，控制器经驱动隔离电路与DC-DC变换器相连。蓄电池经稳压电路与控制器相连。控制器还与显示装置、ISP下载电路相连。

图1控制装置结构示意图

太阳能电池板吸收太阳光并将其转换为电能，经DC-DC变换器向负载提供电能，为保证太阳能电池板始终输出最大功率，检测电路不断实时地检测太阳能电池板的电压值和电流值，并计算出功率，根据控制器内置控制算法，计算下一次调整占空比信号，经驱动隔离电路形成PWM信号，送DC-DC变换器执行，以改变负载的等效电阻，使其与太阳能电池板内部电阻相匹配，以保证太阳能电池板输出最大功率。

3系统硬件

太阳电池板最大输出功率控制装置通过以下技术方案来实现。

3.1DC-DC变换器及负载

系统DC-DC变换器如图2所示，太阳电池板最大输出功率控制装置DC-DC变换器选择升压式（Boost）变换电路[3]，其主要由开关S、二极管D1、储能电感L1和滤波电容C4组成。当开关S 导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容向负载供电。当开关S截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电

压高而太阳能光伏输出电压低的情况。

图2控制装置DC-DC变换器及负载电路图。

由图2所示可知，太阳能电池板所带负载包括一蓄电池和一LED阵列。加入蓄电池用于存储电能，以便随时利用；选择LED阵列作为其直流负载，主要考虑其呈现阻性，并能直观地反映出负载吸收功率的变化。在蓄电池和直流负载之间加入一二极管D2防反冲，加入一开关S1便于系统控制。

3.2检测电路

系统检测电路如图3所示，太阳能电池板最大输出功率控制装置检测电路包括：一电流传感器，一电压比例变换电路，一AD转换芯片。为实时检测太阳能电池板电压信号和电流信号，需要首先将电流信号经电流传感器转换为电压信号。之后再将电流转换后的电压值和太阳能电池电压信号经电压比例变换电路变换到AD转换芯片所能接收的范围，分别送AD转换芯片TLC2543通道0和通道1，经AD转换芯片将太阳能电池板电流信号和电压信号转换为数字信号之后送单片机[4]。TLC2543和单片机之间数据通信采用的是串行通信的方式，只要进行四条信号线的连接即可，分别为片选信号CS，时钟信号CLK，数据移出Dout，数据移入Din。

图3控制装置检测电路图

3.3驱动隔离电路

系统驱动隔离电路如图4所示，太阳能电池板最大输出功率控制装置驱动隔离电路包括驱动电路和隔离电路。单片机I/O端口送出信号经电阻R6接驱动三极管Q1的基极，Q1的三极管的集电