光伏发电系统毕业设计.docx

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光伏发电系统毕业设计

1.引言

日常生活和社会生产都离不开能源。

人们通过直接或间接利用某些自然资源得到能，因而，把具有某种形式能量资源以及由它加工或转换得到的产品统称为能源。

前者叫自然能源或一次能源，如矿物燃料、植物燃料、太阳能、水能、风能、海洋能、地热能和潮汐能等，后者通常又把可再生的自然资源称为新能源，其范围包括太阳能、生物质能、风能、地热能和海洋能等。

矿物燃料（煤、石油、天然气等）又称为常规能源。

值得注意，几乎所有的自然资源，从广义的角度看都来自太阳能。

由大气、陆地、海洋、生物等所接受的太阳能都是各种自然资源的源泉。

矿物燃料是古生物长期沉积在地下形成的，它的形成源自远古的太阳能。

[9]水的蒸发和凝结，风、雨、冰、雪等自然现象的动力也是靠太阳，因而水能、风能归根到底都来自太阳能。

生物质能是通过光合、光化作用转化太阳辐射能取得的。

由于太阳和月球对地球上海水的吸水作用产生潮汐能。

世界上最丰富的永久能源是太阳能。

地球截取的太阳能辐射能通量为1.7ⅹ1014kW,比核能、地热和引力能储量总和还要大5000多倍。

其中约30%被反射回宇宙空间；47%转变为热，以长波辐射形式再次返回空间；约23%是水蒸发、凝结的动力，风和波浪的动能，植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。

地球每年接受的太阳能总量为1ⅹ1018kW·h。

这相当于5ⅹ1014桶原油，是探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。

太阳的能量是如此巨大，正如通常所说的“取之不尽、用之不竭”，但是太阳辐射能的通量密度较低，大气层外为1353W/m2.太阳光通过大气层时会进一步衰减，还会受到天气、昼夜以及空气污染等因素的影响，因而，太阳能对地球又呈现间歇性质，时高时低，时有时无。

太阳能须加有储热装置，这些都使太阳能利用系统的初期投资变得昂贵。

综上所述，太阳能利用具有以下明显的特点：

（1）总能量很大，但太阳能通量密度较低；

（2）是可再生的能源，但又具有间歇性；

（3）无污染的清洁能源；

（4）太阳能本身是免费的，有效利用它的初期投资较高；

（5）太阳能热利用较容易实现热能能级的合理匹配，从而做到热尽使用。

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，近年来世界各国竞相实施了可持续发展的能源政策，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目。

光伏发电因其具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无需机械转动部件、故障率低、维护方便等独特优点，正受到各国的普遍重视。

[5]迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题。

目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域，因此太阳能作为一种没有任何污染的、易取的绿色能源，若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。

便携式电子设备进入彩屏时代以后，随着高分辨率屏幕、MP3／MP4影音播放等配置功能的普及，电池待机性能再次成为制约便携式电子设备发展的瓶颈。

太阳能移动电源是专门给便携式电子设备充电的，与一般移动电源不同。

目前，太阳能移动电源一般都内置了大容量的蓄电池，在有阳光的时候，太阳能电池板吸收光能转化电能储存在蓄电池内，同时可以给手机或者数码产品充电，因此不需要任何普通电源给其供电。

在没有阳光时，蓄电池还可以继续给数码产品充电。

2.太阳移动电源方案设计

2.1整体方案设计

太阳能移动电源系统，一种可利用太阳能为蓄电池进行充电的设备，是外出旅行的重要电源之一，那么要求该移动电源为便携式的。

太阳能移动电源应包括太阳能电池板、控制电路和内部蓄电池等。

现在将移动电源设计为如图2.1所示的形状。

USB接口

电源开关

图2.1移动电源模型

2.2控制电路方案设计

太阳能移动电源系统控制电路的设计思想，从负载锂离子二次电池的恒流/恒压充电控制出发，同时配有锂离子蓄电池。

当在户外无220V交流电时采用太阳能对负载锂离子直接充电同时对锂离子蓄电池充电；当阴雨天天气或夜晚等阳光不足时，采用配置的锂离子蓄电池对负载锂离子电池充电，以保证任何情况下不间断。

即系统的设计以太阳能充电为主，在有足够的阳光且蓄电池又有足够供电能力的情况下，系统能够以太阳能充电为主给负载充电，在无阳光或阳光弱时，以蓄电池充电为主给负载充电，太阳能为便携式电子设备补电。

为了与负载锂离子二次电池充电电路相匹配，系统的蓄电池也采用锂离子蓄电池。

锂离子二次电池的容量是一般负载电池的2-3倍，这里选择3.7V、容量为5000mA的锂电池。

[2]由于锂离子二次电池本身不允许过放电，因此系统中设计了保护电路以避免蓄电池深度过放电造成自身永久性伤害。

蓄电池的充放电转换可通过开关按键切换，这可遵从系统的充放电指示来实行。

在系统无放电指示时，只要按下按键，系统立即切断放电电路启动充电电路，蓄电池充电；若负载同时也需要充电时，只要接上负载并切换开关，就能切换充电电路给负载充电。

系统又配备了外接稳压电源输入端口，在无阳光而蓄电池又无足够容量时，外接交流电源能向负载充电，同时为了以防万一，在外出前可利用外接电源通过该端口给蓄电池充电，这样就保证阴雨天外出携式电子设备也能正常工作。

太阳能移动电源系统的控制电路结构如图2.2所示：

图2.2太阳能移动电源控制电路结构图

其中，外接市电充电电路可通过适配器和CN3068芯片对内部蓄电池进行恒流和恒压充电；太阳能充电电路主要通过太阳能电池板和MC34063对电池充电，由于太阳能板的电压随光强的变化较大，因此采用MC34063芯片，这样可以选用较大电压的太阳能板，通过MC34063降压的同时也起到了稳压的作用；手机充电电路也使用MC34063，既能升压又能稳压，而且还能防过充；保护电路则使用UCC3952，对内部蓄电池起到了过电压、过电流、过放电、短路保护等。

3.容量计算及设备选型

3.1锂电池的容量计算及选型

近年来，PDA、数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。

锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点。

为了与锂离子二次电池充电电路相匹配，系统的蓄电池也采用锂离子蓄电池。

锂离子二次电池的容量是一般负载电池的2-3倍，这里选择4.2V、容量为5000mA的锂电池。

3.2太阳能电池板功率计算及选材

锂电池可以接受的最大充电电流通常是1C甚至更小，像ThinkPad笔记本电池最大充电率为0.9C。

所谓1C充电率指以容量的1倍率电流来充电，充电时间为1小时。

实际上，要想电池寿命长，基本上是以0.3~0.5C充电4~2H。

充电电流：

5000mAh×0.5C＝2.5A

太阳能电池板功率：

2.5A×3.7V／70％≈13w

所以选用15w左右的单晶硅太阳能板，

采用的单晶硅太阳能电池片转换效率高

采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。

功率公差范围（保证输出功率在-3~+3%的正负公差范围内

4.控制电路的设计

太阳能移动电源系统的电路应包括太阳能充电电路、市电充电电路、锂电池保护电路和放电电路等几个部分，每个部分完成其特定的功能，缺一不可。

下面就对每个部分电路设计依次介绍。

4.1太阳能充电电路

由于光照强度的变化，太阳能电池板的电压是不断变化的，其内阻又比较高，因此其输出电流也小，这就需要一个直流变换电路变压后为电池充电。

为了使太阳能移动电源能在较长的时间范围内工作，则应选择电压较大的太阳能电池板（工作范围5-7V）。

然而，内部锂电池的充电限制电压为4.2V。

因此，为了能够安全的为内部锂电池充电，选用MC34063作为太阳能充电电路，通过MC34063降压的同时也起到了稳压的作用。

充电电路如图4.1所示。

图4.1太阳能充电电路

该电路的输入电压在5-7V之间，要求输出电压为4.2V，输出电流为500mA。

那么MC34063应该设定为降压模式，如图3.1。

黄色发光二极管LED3用来显示太阳能板是否有电压，并能根据其明暗程度来判断太阳能板的电压大小，要求发光二极管的电流不超过30mA,那么限流电阻R3的大小为：

R3=（5~7）V/30mA，取R3=300欧。

4.1.1设定充电电压

图4.2MC34063功能框图

根据图4.2所示MC34063的功能框图可知，引脚FB为比较器的反向输入端，当电池电压与参考电压相等时，开关三极管关断，此时终止对电池充电。

因此，要使输出电压VOUT为4.2V，同时要求FB脚的电压V5为1.25V，那么：

V5=VOUT×R5/R6=1.25

解得R5/R6=0.4

取R5=1.2K,R6=3K

4.1.2设定充电电流

MC34063的输出电流大小由与SC引脚相连的电阻R4来决定。

现要求输出电流IOUT为500mA,而IOUT=2Ic,R4＝0.33／Ic,则R4=0.3。

4.1.2设定其它参数

TC引脚外接电容C3为470PF，电感L1为200uH，那么其工作频率为72KHz；C4取220UF，那么该电路的输出电压波纹系数为8mV；快速开关二极管D3可选用普通二极管IN4001，也可选用肖特基二极管IN5821，此处为了提高效率，通常选用肖特基二极管IN5821。

另外，二极管D2选择IN4001即可，能防止反向电压，而电容C2能够对输入有滤波的作用。

值得注意的是，在实践中，由于电容器等效串联电阻和电路板布局的影响，理想的峰峰值输出纹波电压的计算值需要增加。

那个纹波电压应保持在较小值，因为它将直接规律性的影响线路和负载。

该充电电路的适用工作温度范围0℃-70℃，不能在超过该温度的环境中使用。

4.2市电充电电路

在中国，市电为220V交流电，然而，要对蓄电池进行充电就必须采用直流，因此，需要设计一个整流电路和一个充电电路。

在该充电器中，整流电路可作为适配器电路，充电电路可用锂电池充电集成电路CN3068来实现。

4.2.1适配器电路

适配器电路如图4.3所示。

图4.3适配器电路图

220V交流输入，一端经过一个4007半波整流，另一端经过一个10欧的电阻后，由10uF电容滤波。

这个10欧的电阻用来做保护的，如果后面出现故障等导致过流，那么这个电阻将被烧断，从而避免引起更大的故障。

右边的4007、4700pF电容、82KΩ电阻，构成一个高压吸收电路，当开关管13003关断时，负责吸收线圈上的感应电压，从而防止高压加到开关管13003上而导致击穿。

13003为开关管（完整的名应该是MJE13003），耐压400V，集电极最大电流1.5A，最大集电极功耗为14W，用来控制原边绕组与电源之间的通、断。

当原边绕组不停的通断时，就会在开关变压器中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压。

由于图中没有标明绕组的同名端，所以不能看出是正激式还是反激式。

不过，从这个电路的结构来看，可以推测出来，这个电源应该是反激式的。

左端的510KΩ为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流。

13003下方的10Ω电阻为电流取样电阻，电流经取样后变成电压（其值为10*I），这电压经二极管4148后，加至三极管C945的基极上。

当取样电压大约大于1.4V，即开关管电流大于0.14A时，三极管C945导通，从而将开关管13003的基极电压拉低，从而集电极电流减小，这样就限制了开关的电流，防止电流过大而烧毁（其实这是一个恒流结构，将开关管的最大电流限制在140mA左右）。

变压器左下方的绕组（取样绕组）的感应电压经整流二极管4148整流，22uF电容滤波后形成取样电压。

为了分析方便，我们取三极管C945发射极一端为地。

那么这取样电压就是负的（-4V左右），并且输出电压越高时，采样电压越负。

取样电压经过6.2V稳压二极管后，加至开关管13003的基极。

前面说了，当输出电压越高时，那么取样电压就越负，当负到一定程度后，6.2V稳压二极管被击穿，从而将开关13003的基极电位拉低，这将导致开关管断开或者推迟开关的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能。

而下方的1KΩ电阻跟串联的2700pF电容，则是正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。

右边的次级绕组就没有太多好说的了，经二极管RF93整流，220uF电容滤波后输出6V的电压。

没找到二极管RF93的资料，估计是一个快速回复管，例如肖特基二极管等，因为开关电源的工作频率较高，所以需要工作频率的二极管。

这里可以用常见的1N5816、1N5817等肖特基二极管代替。

同样因为频率高的原因，变压器也必须使用高频开关变压器，铁心一般为高频铁氧体磁芯，具有高的电阻率，以减小涡流。

4.2.2充电电路

充电电路如图4.4所示。

图4.4充电电路

图4.5CN3068功能框图

一、设定充电电压

根据图4.5所示CN3068的功能框图可知，引脚FB为电池电压检测输入端。

此引脚可以检测电池正极的电压，从而精确调制恒压充电时电池正极的电压，避免了从电池的正极到CN3068的BAT管脚之间的导线电阻或接触电阻等寄生电阻对充电的影响。

如果在FB管脚和BAT管脚之间接一个电阻，可以调整恒压充电电压。

如图4.6所示。

图4.6调整恒压充电电压

如果采用图4.6中的连接方式，那么在电池的正极电压Vbat为：

Vbat＝4.2＋3.04×10-6×Rx

其中，Vbat的单位是伏特

Rx的单位是欧姆

由于该电路的输入电压为6V，要求输出电压为4.2V，那么将FB脚和BAT脚直接相连（即Rx=0）时，输出电压为4.2V。

二、设定充电电流

CN3068利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电，充电电流由外部电阻编程设定，从IR引脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。

在预充电阶段，此管脚的电压被调制在0.2V；在恒流充电阶段，此管脚的电压被调制在2V。

在恒流模式，计算充电电流的公式为：

ICH=1800V/RIR

其中，ICH表示充电电流，单位为安培

RIR表示ISET管脚到地的电阻，单位为欧姆

现在需要500毫安的充电电流，可按下面的公式计算：

RIR=1800V/0.5A=3.6kΩ

为了保证良好的稳定性和温度特性，使用精度为1%的金属膜电阻。

通过测量IR管脚的电压可以检测充电电流。

充电电流可以用下面的公式计算：

ICH=（VIR/RIR）×900

三、充电状态指示

为了避免过长时间对电池充电，那么就需要显示充电状态，方便用户在充电结束后切断电源。

CN3068有两个漏极开路状态指示端，STAT1和STAT2，这两个状态指示端可以驱动发光二极管。

STAT2用来指示充电状态，在充电时，STAT2为低电平；STAT1用来指示充电结束状态，当充电结束时，STAT1为低电平。

当电池的温度处于正常温度范围之外超过0.15秒时，STAT1和STAT2管脚都输出高阻态。

当电池没有接到移动电源时，移动电源很快将输出电容充电到恒压充电电压值，由于电池电压检测输入端FB管脚的漏电流，FB管脚和BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值，这样在FB管脚和BAT管脚形成一个纹波电压为100mv的波形，同时STAT2输出脉冲信号表示没有安装电池。

当电池连接端BAT管脚的外接电容C2为4.7uF时，脉冲的周期大约为10Hz。

表4.1列出了两个状态指示端及其对应的移动电源状态，STAT2管脚接红色LED，STAT1管脚接绿色LED。

表4.1充电状态指示

STAT2管脚电平（对应的LED状态）

STAT1管脚电平（对应的LED状态）

状态说明

低电平（红色LED常亮）

高电平（绿色LED灭）

正在充电

高电平（红色LED灭）

低电平（绿色LED常亮）

充电结束状态

脉冲信号（红色LED闪烁）

脉冲信号（绿色LED亮）

电池没有接好

高电平（红色LED灭）

高电平（绿色LED灭）

三种可能异常状态：

􀁺输入电压低于电源低电压锁存阈值，

􀁺输入电压低于电池连接端BAT电压，

􀁺电池温度异常

当不用某个状态指示功能时，将不用的状态指示输出端接到地。

四、充电电路的稳定性

为了保证充电器正常工作，需要从电池端BAT到GND之间连接一个电容，电容值为4.7uF。

在恒流模式，IR管脚连接的电阻，电容也会影响系统的稳定性。

通常情况下，在IR管脚没有外加电容时，在此管脚可以外接一个阻值高达50K的电阻。

如果在IR管脚有外接的电容，则在此管脚允许外接的电阻值会减小。

为了使充电器能正常工作，IR管脚外接电阻，电容所形成的极点应高于200KHz。

假设IR管脚外接电容C，用下面的公式可以计算ISET管脚允许外接的最大电阻值：

RIR<1／（6.28×2×105×C）

为了在IR管脚监测充电电流，或者隔离IR管脚的电容负载，可以用一个RC滤波电路，如图4.7所示，这样系统的稳定性不受影响。

图4.7隔离ISET管脚的电容负载

五、其它参数的设定

TEMP引脚是电池温度检测输入端。

将TEMP脚接到电池的NTC传感器的输出端。

如果TEMP管脚的电压小于输入电压的47%或者大于输入电压的84%超过0.15秒，意味着电池温度过低或过高，则充电将被暂停。

如果TEMP在输入电压的47%和84%之间超过0.15秒，则电池故障状态将被清除，充电将继续。

在本充电电路中，将TEMP引脚接地，电池温度监测功能被禁止。

电源输入端需要一个旁路电容，一般情况下，4.7uF的电容可以满足要求，对电容的类型没有限制，因此C1=4.7uF。

4.3锂电池保护电路

锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护，要求过充电保护高精度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。

近年来，PDA、数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。

锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，与镍镉、镍氢电池不太一样，锂电池必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化。

针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要，所以通常都要求设计保护线路用以保护锂电池。

由于锂离子电池能量密度高，因此难以确保电池的安全性。

在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而发生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，从而降低可充电次数。

锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性劣化。

本设计选用UCC3952作为锂离子电池保护电路，UCC3952锂离子电池保护电路能加强单个充电电池组的使用寿命。

该保护电路由内部充电和放电电压限制、带有延时关闭的放电电流限制、当电池放电时的超低电流睡眠模式等组成。

其他特征还包括片上一个为减少外部元件数量的MOSFET管和为减少功率损耗的电荷泵，同时还有低电压充电和放电的电池组。

此保护电路只需要一个外部电容，并能在短路状态操作和安全关机。

锂电池保护电路如图3.8所示。

图3.8锂电池保护电路

锂电池保护电路的外围电路非常简单，只需要在CBPS引脚和BNEG之间接一个0.1F外部电容。

而BNEG脚连接电池负极，PACK+脚连接电池正极。

TCLK脚是生产测试模式引脚，该引脚是在集成电路生产测试过程中用来提供一个高频时钟，在使用时该引脚可不连接或接BNEG。

保护电路的功能如下：

1．过流的监测和保护

通过内部检测电阻可以对放电电流不断地进行监测。

如果内部出现高电流（超过3A）并且存在超过1ms，那么就认为是过流。

这个延迟使得系统不会因旁路电容的影响而产生过流跳闸。

在CBPS引脚上接一个0.1uF的电容来产生一个记忆时间，以保证芯片在一个极短时间内电池电压低于最低工作电压时能正常工作。

一旦达到过电流条件，内部的MOSFET管将关闭，使其恢复正常运行的唯一方法是让负载离开系统的正极PACK+。

过流状态将在其内部电路将负极PACK–和BENG引脚间的电压降到50Mv以下时结束，从而恢复到正常工作状态。

2．充电/放电模式的控制

当芯片检测到处于过电压的情况下，它可以防止任何形式的充电，但允许放电。

这是通过激活线性控制回路，在其漏极到源终端的差动电压的基础上控制MOSFET管的栅极来实现。

线性回路调节MOSFET与100mV的差分电压。

当该部分适用于轻负载时，回路调节MOSFET的阻抗以保持100mV。

当负载增加时，降低MOSFET的阻抗来保持100mV。

在重载（仍低于“过电流”限制级别）时，回路将不会保持控制，并且将MOSFET的栅极驱动到电池电压（不是充电输出电压）。

在过压状态该MOSFET管的RDS（on）将高于在正常工作时的RDS（on）。

在此工作模式中，内部MOSFET的压降（和相关的功率损耗）仍然大大低于两个外部背靠背的MOSFET，因为其中有体二极管在运行。

当芯片检测到处于欠压的情况时，将从电池组上断开负载，并且关闭本身，以最大限度地减少电池组的漏电流。

几个电路仍然供电，把电池组放在充电器中来检测。

一旦发现存在移动电源，线性回路将被激活，芯片将允许充电电流进入电池。

这种线性控制的工作模式，实际上是直到电池电压达到一定程度的VUVR，到那时就会恢复正常工作。

4.4放电电路

经测试，大多数便携设备充电器的输出电压在5V-6V之间，输出电流为500mA。

因此，要求对外充电电路的输出为5.5V/500mA。

无论使用太阳能板（4.2V）直接对负载充电，还是通过内部蓄电池（3.7V）对负载充电，其电压都低于手机要求的5.5V，那么就需要经过电压变换后对负载充电，选择MC34063作为控制电路，进行升压变换后对负载充电。

MC34063在前面的太阳能充电电路中已经介绍过了，此处不做重复说明。

在本电路中，使用MC34063的升压工作模式。

图4.9所示为负载充电电路。

图4.9负载充电电路

该电路的输入电压为3.5V-4.2V，要求输出电压为5.5V，输出电流为500mA。

MC34063设定为升压模式，如图3.9。

根据前面对MC34063的介绍，要使输出电压为5.5V，则有VOUT=1.25（1+R12/R11），现在取R11=1K，那么R12=3.6K；要求输出电流为500mA,即IOUT=2Ic,R9＝0.33／Ic,则R9=0.3欧。

TC引脚外接电容C6为470PF，电感L2为200UH，那么其工作频率为72KHz；C7取220UF，那么该电路的输出电压波纹系数为8mV。

另外，D4能防止反向输入电压，电容C5具有滤波的作用。

5.PCB板的设计

在完成了控制电路的设计之后，需要绘制整个充电器的原理图，并做出其对应的PCB板。

一般而言，PCB板的制作过程可分为三大步骤：

原理图的设计、产生网络表和PCB板的设计。

在绘制原理图和制作PCB时，都采用protel99se作为设计软件。

5.1原理图的设计

在制作PCB板之前，首先应绘制控制电路的原理图。

运行protel99se，新建一个设计库，然后新建原理图文件，由于控制电路中的CN3068、MC34063、UCC3952以及USB接口、适配器接口等都不能在元件库中找到，因此，就需要自己制作这些元件库及其封装库。

在制作好元件库之后，就可以开始绘制原理图了。

先将需要的元件从元件库中找到，然后放置在原理图中，就可以绘制导线了。

图4.1所示为查找元件对话框。

图5.1查找元件对话框

值得注意的是，为了方便PCB板的设计，在绘制原理图时，需