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(多图) 藏区太阳能照明壁柜砖系统的设计实现

电子设计工程 肖伟 董志诚 刘存根?? 2010年03月16日 ?? 收藏0

  1 引言

  太阳能作为一种可持续利用的清洁能源,日益受到世界各国的重视。西藏地区,地广人稀,太阳能光伏发电成为首选。西藏地区最为迫切的问题不是广泛建立光伏发电站,具体原因有:首先,光伏发电站的建站成本高,目前,其成本是采用燃煤发电的10倍左右;另一方面,要考虑到维护成本,如果设备在交付使用后,终身由供货公司维护,势必付出高昂的维护经费,尤其设备安装在偏远山区,维护不方便。而高昂的成本使太阳能光伏发电设备在西藏地区推广步履维艰。该系统是为西藏地区藏式建筑设计的一个太阳能光伏发电照明系统,可嵌入到建筑材料中,使用方便。

  2 设计思路

  通过调查发现,藏民们最希望解决照耀和手机充电问题。不难看出,采用小型化的光伏发电系统解决藏民的切身问题才是关键。西藏地区的阳光充分,藏式建筑多是南北朝向,并且在朝向南方的地方设置阳台或窗户。如果在靠南的墙上设计一个壁柜形状的“砖”,在这块“砖”靠墙外处安装上太阳能光伏电池板,而“砖”靠墙内处则安装上照明负载、手机充电接头及控制面板,那么,这块壁柜照明“砖”可同时解决照明和手机充电问题。光伏充电系统、蓄电池、系统控制板、太阳能光伏充电控制器等电子设备全部安装在壁柜“砖”内,同时,为了方便更换电池,把太阳能壁柜砖设计成能够像壁柜一样,可以通过合页打开(安装高度宜为1.5 m处,方便用户操作)。

  为了使该系统能够为广大藏民所接受,必须考虑以下几点:(1)由于终端用户是广大藏区,因此系统控制界面必须考虑藏文界面、汉字界面以及藏语提示3种功能,使人机交互更加人性化,方便藏民使用;(2)在偏远山区,夜晚藏式建筑室内光线很弱,必须增加遥控功能;(3)在系统充电时,必须考虑两级保护措施,即:硬件电路保护和软件电路保护,以免在误操作情况下系统无法正常工作;(4)为了保护铅酸蓄电池,必须使用功率稍大的太阳能电池板,提高充电效率,避免铅酸电池处于亏损状态,从而可以延长蓄电池的使用寿命。

  3 系统硬件组成

  系统硬件主要由SPCE061A主控板、太阳能电池板、太阳能充放电控制器、蓄电池组成,如图1所示。

系统硬件组成

  图1中,LCD采用SPLC501模组,通过SPCE061A直接控制,配合键盘输入来设置和显示系统的相关信息;状态指示灯直接显示系统当前的状态(如充电状态);键盘设计比较简洁,主要仿造鼠标的操作来设计,使用户对系统的设置和操作简单化,共设置3个键:上翻、下翻和确认键;语音提示则使用SPCE061A的DA通道,经过由SPY0030构成的音频放大电路直接输出到扬声器;太阳能电池板的开路电压为20 V,考虑到对蓄电池的保护,选用8 W型号;蓄电池选用20AH,DC12V型;最后,在控制器引出多路强制开关和负载输出接口。

  4 硬件电路原理

  4.1 充电主回路工作原理

  图2为充电主回路原理图。J1为太阳能电池板接入端J10是12 V的蓄电池引出端。系统主控单片机工作于5.0 V电压下,控制电路工作无12.0V,由蓄电池提供(直接从J10引出)。J1接入太阳能电池板,整个主回路必须通过MOSFETV1→L1→VDI(2545)→F1(RF30)→J10→R14→接地形成充电回路,而该充电核心就是控制V1,由R11,VQ3(8050),R7,R3以及电路IRF9540构成的电路是实现MOSFET V1控制的关键。

充电主回路原理图

  在NPN三极管的基极通过R11与PWM相连接,而该PWM波则通过SPCE061A主控板输出控制信号。当PWM输出为低电平时,NPN三极管VQ3的主回路处于截止状态,由此判断,MOSFET处于截止状态,太阳能电池板与蓄电池的充电回路等价于开路状态;当PWM输出为高电平时,VQ3导通,太阳能电池板正极→R3→R7→VQ3→接地形成回路,由于R3的分压作用,使得MOSFET导通,充电主回路导通,蓄电池处于充电状态。

  整个电路控制的核心是PWM波对MOSFET导通截止的控制,该设计采用三段式充电方法,主控板SPCE061A具备PWM输出功能,保证本系统实现三段式充电算法,从而有效保护蓄电池。

  4.2 硬件保护电路工作原理

  过载保护是通过采集充放电电路的状态值(主回路的电流)实现的,当充放电电路出现异常时,不妨设放电电流较大时,则电路通过主回路使I_DET的电位减小。图2中,由B+→+F1→J10→I_DET→R14→接地的主回路看出,I_IDE实际接近地电位,在分析充电过程中,可近似等效为地电位。

  图3为过载保护电路,由VDD→R30→R35→地,可以算出IC1B(LM358A)的同向端为0.15 V;而由R24和R25构成的反馈闭环回路则使得等式(Vo-V_)/R25=(V_-0)/R24成立,进而可得等式:Vo=(V_R25)/R24+V-,由于运放处于深度负反馈状态,则有V_=V+=0.15 V。I_DET的电位变化经IC1B后放大,即电位变正则在放大后电位更高,如果是负向变化(如放电),则电位向负向变化更明显.最终输出的是电位变化较大的I_AD信号。

过载保护电路

  I_AD信号通过IC1A开环电压比较器,与基准电压V_REF(1.4V)进行比较,在未过充时,I_AD信号的输出电位应为2.107 5 V,高于IC1A同向端的基准电压1.4 V,则电路输出为低,即地电位。此时,该状态不会对由VQ1、VQ2、VQ5、VQ6所组成的控制回路产生影响,即由R21和VD9所形成的支路等价于断开。

  如果是过放情况,主回路的电流增加,I_DET的电位减小→IC1B的输出I_AD电位更低(小于比较器的基准电压V_REF)→比较器输出的电位由低变为高(INT1为高电平)。此时,VQ2和VQ6(是控制回路另一路)在INT1高电平的作用下,经VD9(或VD5)→VQ6(或VQ2)→地,而VQ2和VQ6的集电极均通过电阻与电源正极相连,因此,VQ2和VQ6无条件强制导通,V1_Driver,V2_Driver被强制拉至低电平,照明输出负载将被强制关断,这样就避免过放电(即负载短路)。


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太阳能照明? 壁柜砖? 蓄电池? 过载保护?

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