太陽能不間斷式供電設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于：
其一，采用簡單實(shí)用的電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)充電方式，即在充足的太陽光下，一個(gè)蓄電池充 電電流大于另一個(gè)蓄電池的充電電流，以實(shí)現(xiàn)先對(duì)一個(gè)蓄電池充電，充滿電荷后自動(dòng)地再對(duì)下一個(gè)蓄電池進(jìn)行充電，這相當(dāng)于兩個(gè)蓄電池輪流地被充電，這不僅充分 利用了單位面積的太陽能，也大大增加了蓄電池的使用壽命，這樣在同等負(fù)荷的情況下，可降低對(duì)太陽能電池板功率的要求，從而降低了工程的造價(jià)；
其二，設(shè)計(jì)出一種太陽能與市電供電自動(dòng)切換系統(tǒng)，以彌補(bǔ)數(shù)日綿綿陰雨太陽能供不上電的缺陷，做到不間斷式的居家供電目的。
一、設(shè)計(jì)原理及電路分析
電路由步進(jìn)充電電路、太陽能供電與市電供電自動(dòng)切換電路和路燈控制與照明電路三大部分組成，如下圖所示。該電路結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)涵豐富，電路工作穩(wěn)定可靠。
1．步進(jìn)充電

電 路如下圖所示，太陽能電池板的輸出引線從CK插座接入，依據(jù)I=(U-E1.2)／R1.2，其中I為各支路充電電流，U為太陽能電池板帶載輸出的端電 壓，E1，E2分別為蓄電池El、E2上的電壓，在兩個(gè)蓄電池原始電壓相同的情況下，蓄電池El的充電電流I1是蓄電池E2的充電電流I2的10倍；顯 然，El蓄電池的充電電壓的初始速度比蓄電池E2充電電壓的初始速度大得多，相當(dāng)于太陽能電池板先對(duì)蓄電池El進(jìn)行充電，隨著充電過程的不斷產(chǎn)生，蓄電池 El上的電壓也在不斷地增加，使得蓄電池El上的電壓逐漸趨于飽和，同時(shí)蓄電池E1的充電電流I1在逐漸地減少，當(dāng)蓄電池El上的電壓充到接近于額定值 時(shí)，蓄電池El的充電電流I1也就趨近于零，此時(shí)可認(rèn)為蓄電池El的充電過程基本結(jié)束。

當(dāng) 太陽能電池板對(duì)蓄電池El充電的同時(shí)也對(duì)蓄電池E2充電，只不過蓄電池E2電壓上升的速度比蓄電池El電壓上升的速度要慢得多，當(dāng)蓄電池El充電過程基本 結(jié)束后，相當(dāng)于充電負(fù)載減輕，依據(jù)(U=E-I×r)，U為太陽能電池板帶載輸出的端電壓，E為太陽能電池板所提供的電壓源電壓，I為回路充電的總電 流，r為太陽能電池板的內(nèi)阻，此時(shí)太陽能電池板帶載輸出的端電壓U會(huì)回升，從而加快了太陽能電池板對(duì)E2的充電速度，即加快了蓄電池E2上的電荷的累積速 度，當(dāng)歷經(jīng)r若干時(shí)間后，蓄電池E2上的電壓也充到接近于額定值時(shí)，蓄電池E2的充電電流I2也趨近于零；同理，此時(shí)也可認(rèn)為蓄電池E2的充電過程基本結(jié) 束。當(dāng)兩個(gè)蓄電池充電過程基本結(jié)束后，此時(shí)若仍有太陽光存在，雖然說充電電流都趨近于零，當(dāng)仍有微小的充電電流在流動(dòng)，充電過程仍在延續(xù)，只不過此時(shí)蓄電 池上電荷累積的速度變得異常緩慢，其目的不僅不浪費(fèi)資源，而且有利于延長蓄電池的使用壽命。

D1、D2是隔離二極管，其作用是阻止兩個(gè)蓄電池互相充電，形成不必要的內(nèi)耗、提高供電系統(tǒng)的效率。
太陽能充電電路的等效圖如下圖所示，根據(jù)基爾霍夫定律，得出下列充電回路的電壓與電流方程如下式：

I=I1+I2 (1)

I1=(E-E1-VD1-Ir)/(R1+r1) (2)

I2=(E-E2-VD2-Ir)/(R2+r2) (2)

其 中I、I1、I2分別為太陽能電池板E充電回路的總電流、蓄電池El回路充電電流、蓄電池E2回路的充電電流，r、R1、r2分別為太陽能電池板、蓄電池 El、蓄電池E2的內(nèi)阻，蓄電池的內(nèi)阻隨著電壓的升高而減少，R1、R2為充電回路的限流電阻，VD1、VD2為二極管D1、D2的正向壓降，設(shè)為 0.7V，太陽能的峰值電壓取15.1V，無論是El還是E2，經(jīng)理論推算與實(shí)踐驗(yàn)證獲悉，只要當(dāng)蓄電池上的電壓充到約13.8V時(shí)，該充電回路的電流急 劇減少，且趨近于零；若El=13.8V，r=6Ω，r2取2Ω，則從上述方程可知：

經(jīng) 計(jì)算后獲悉，當(dāng)E1充滿電荷后，E2才充到8.6V，隨著E2電壓的逐漸升高，充電電流I2在減少，同時(shí)又有微弱的Il充電電流在流動(dòng)，這有利于延長蓄電 池的使用壽命。但無論El、E2充電電壓如何的升高，根據(jù)式(2)、(3)式知，El、E2的電壓峰值都控制在14.4V內(nèi)。其理由緣至二極管D1、D2 具有單向?qū)щ娦浴?br /> 則Il=(E-El-VD1-Ir)≥0,12=(E-E2-VD2-Ir)≥0因此，El,E2≤15.1-0.7-I.r=14.4-I.r=14.4(V)由于14.4V為12V蓄電池極限所承受的電壓值，故有效地保護(hù)了蓄電池。

2．太陽能與市電供電自動(dòng)切換電路
用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如上圖所示，其電路的同相電壓傳輸特性如下圖所示，電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)設(shè)定：正向閥值VT+=7V，負(fù)向閥值VT=-3V，確定可變電阻器RP1與電阻器R5的值。

從上式兩式解出RP1/R5=2/5，V1H=SV，那么VDD取10V。
為保證G6輸出高電平時(shí)的負(fù)載電流不超過最大允許值IOHmax應(yīng)使(VOH-VTH)／R5(10-5)/1.3=3.85(kΩ)故取R5=20kΩ，RP1=2.R5/5=8(kΩ)。實(shí)際取RP1為15kΩ可調(diào)電位器。
當(dāng) 有太陽光照的情況下，太陽能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，照明電路電源由蓄電池供給；當(dāng)連續(xù)數(shù)天陰雨綿綿時(shí)，無太陽光對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池上的電荷逐漸被 消耗掉，導(dǎo)致蓄電池的端電壓逐漸降低，引起非門電路c5的輸入端電壓降低，當(dāng)?shù)偷脚c負(fù)向閥值（VT_=3V）電壓相等時(shí)，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，G5輸出高電 平，G6輸出低電平（同相輸出），經(jīng)G7倒相輸出高電平，單向可控硅VS1導(dǎo)通，220V市電電壓經(jīng)變壓器T降壓，二極管(D7～D10)整流、C5濾波 后，再經(jīng)LM7809穩(wěn)壓，形成9V的直流電壓對(duì)照明電路進(jìn)行供電。同時(shí)，造成二極管D3、D4反偏而截止，蓄電池El、E2向負(fù)載供電回路被切斷。
同 理，當(dāng)陽光來臨時(shí)，蓄電池立即被充電，蓄電池上的電壓不斷的上升，當(dāng)升到11V時(shí)，即G1輸入端的電壓與正向閥值(VTF7V)相同，施密特觸發(fā)器再次翻 轉(zhuǎn)，單向可控硅VS1截止，市電被切斷，供電電路轉(zhuǎn)而由蓄電池提供。如此，周而復(fù)始地進(jìn)行著，構(gòu)成了以太陽能為主，市電為輔的居家不間斷式供電系統(tǒng)。

3．路燈控制與照明電路
白天，光敏電阻受到光照而使電阻變小，與非門電路C1輸入端為低電平，經(jīng)兩次（與非）倒相后，C2輸出端為低電平，D6截止，C3輸入端為低電平，再經(jīng)兩次（與非）倒相后，G4輸出端亦為低電平，單向可控硅VS2截止，燈HL1熄滅。
夜 晚，光敏電阻RG未受到光照而阻值變大，但由于三極管BG在本電路所設(shè)置的參數(shù)下，是處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管BG集電極（G1輸入端）仍處于低電平，單向可 控硅VS2仍處于截止?fàn)顟B(tài)，燈HL1熄滅；當(dāng)有人觸摸TP觸點(diǎn)或說話時(shí)，人體感應(yīng)的信號(hào)或音頻信號(hào)經(jīng)三極管BG放大后，在R10上形成信號(hào)電壓，導(dǎo)致瞬間 三極管集電極為高電平，同理，經(jīng)兩次（與非）倒相后，G2輸出端為高電平，D6導(dǎo)通，對(duì)C3充電，G3輸入端為高電平，再經(jīng)兩次（與非）倒相后，G4輸出 端亦為高電平，單向可控硅VS2導(dǎo)通，燈HL1被點(diǎn)亮。當(dāng)人體觸摸TP觸點(diǎn)動(dòng)作或說話聲音過后，三極管BG集電極（G1輸入端）恢復(fù)到低電平，C2輸出端 亦為低電平，電容C3對(duì)R1l放電，當(dāng)C3的電壓放電到低電平值時(shí)，G3、CA與非門狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，單向可控硅VS2截止，燈HL1才熄滅（按圖1中所示，電 路中所標(biāo)元器件的參數(shù)值，燈點(diǎn)亮持續(xù)時(shí)間約2.5min）。
室內(nèi)照明電路，開關(guān)(SW1、SW2、SW3)，Xl’(HL2、HL3、KIA)構(gòu)成室內(nèi)照明電路，人們可通過控制開關(guān)的通與斷，來實(shí)現(xiàn)電燈的亮與暗。
二、電路調(diào)整
本 電路結(jié)構(gòu)簡單，無需太多的調(diào)整就可實(shí)現(xiàn)。但有一點(diǎn)需提醒的是，何時(shí)由蓄電池供電，何時(shí)由市電供電，這應(yīng)由太陽能電池板、蓄電池的容量等綜合因數(shù)來決定。本 電路電源電壓VDD是隨著蓄電池上電壓等變化而變化。因此，還必須通過調(diào)整可變電阻器RP1及電阻R4的阻值，使得蓄電池上的電壓當(dāng)?shù)陀?.5V時(shí)，轉(zhuǎn)為 市電供電；當(dāng)高于11V時(shí)，又轉(zhuǎn)為蓄電池供電。

三、元器件選擇
傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少， 對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出。豐富的太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá) 8×l05kW，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，且轉(zhuǎn)化率只有5%，那么，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×1012kW．h，相當(dāng)于目前世界上能耗的 40倍。因此，研究和利用太陽能意義重大，但由于目前太陽能的利用還未普及，關(guān)鍵部件還比較昂貴，因此如何根據(jù)性價(jià)比指標(biāo)，合理的選擇零部件顯得尤其重 要。
太陽能電池板與蓄電池的選取：
選一塊多晶硅電池的組件，最大的輸出功率Pm（額定功率）為50W，峰值電壓(額定電壓)Ump為 15V．峰值電流（額定電流）為3A，若某地區(qū)有效光照時(shí)間h為12h，太陽能電池的發(fā)電效率為：u=0.7，蓄電池的補(bǔ)償值為n=1.4，計(jì)算太陽能電 池一天的發(fā)電量和所需蓄電池的容量。
那么，太陽能電池的日發(fā)電量：M=Pmx h×u=50×12×0.7=420(W.h)日電量等于輸出電流與有效光照時(shí)間的乘積，即：
C=I×H(Ah)o C=Ph/U=50×12/15=40(Ah)蓄電池電壓的選取：目前生產(chǎn)太陽能電池產(chǎn)品種類和規(guī)格很多，對(duì)于蓄電池來講一般有6V、12V、24V的。 那么如何將太陽能電池和蓄電池配接起來？通常來說太陽能電池的額定輸出電壓是蓄電池電壓的1.25～1.5倍，這是因?yàn)樾铍姵氐某潆娦蕸Q定的，因?yàn)樘?能電池的充電，不像使用市電給蓄電池充電一樣有較大的選擇余地，況且它在給蓄電池充電的時(shí)候功率波動(dòng)比較大，這要先考慮太陽能電池的成本問題。假如蓄電池 的充電補(bǔ)償值定位1.4倍，那么一個(gè)額定12V電壓的蓄電池應(yīng)當(dāng)選配的太陽能電池的電壓為：12V×(1.25~1.5)=15~18V左右的太陽能電 池。
實(shí)際蓄電池的有效容量要在C=40/1.40≈28.6(Ah)以上，考慮到要保證夏天連續(xù)數(shù)日強(qiáng)日照，太陽能充電系統(tǒng)能安全使用，故選用太陽能專用蓄電池其型號(hào)為：
E1,12V/36Ah;E2，12V/24Ah鉛封鉛酸密封電池各一個(gè)。
本電路太陽能電池板選用：50W多晶硅，鋼化玻璃封裝，戶外使用，25年壽命，其外形圖如下圖所示，參數(shù)如下表所示。

輸出設(shè)備選用：低壓電子節(jié)能燈，啟動(dòng)電壓低至8V;發(fā)光效率高，啟動(dòng)快，無頻閃現(xiàn)象；平均壽命長達(dá)5000h，標(biāo)稱值：9V/7W節(jié)能燈四個(gè)。
系統(tǒng)功能：正常充電情況下，每日充電量能保證兩只9V/7W直流節(jié)能燈連續(xù)使用12h左右，可供居家連續(xù)陰雨3~4d正常使用。
集成電路：G1~04選用四個(gè)2輸入與非門74LS00，其外引線排列圖如上圖(略)所示；C5、C6、C7選用CC4069CMOS六反向器，其外引線排列圖如下圖(略)所示。

本 電路電源所提供的vcc電壓是從8.5~14V，為r使集成塊在低電壓下能工作，在高電壓。F工作又不至于損壞，經(jīng)估算和經(jīng)驗(yàn)值知74LS00VCC與電 源(D3、D4負(fù)端)之間要串接一個(gè)1kΩ的限流電阻，CC4069VCC與電源(D3、D4負(fù)端)之間要串接一個(gè)270n的限流電阻。
D1、D2為隔離二極管，選用1N4001，若本地區(qū)光照不是很足，也可選用太陽能電池板專用肖特基隔離二極管，其最大反向電壓為40V時(shí)，正向壓降僅為0.2V。
光敏電阻RC，選用2CUZB型。
單向可控硅VS1、VS2，選用1A/100V。

四、太陽能電池板的安裝
太陽能電池板可安裝在陽臺(tái)、屋頂和空曠的草坪L。在安裝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按產(chǎn)品說明書所規(guī)定 的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行安裝、所有的緊固件都必須要裝牢外，還得要做好防雷裝置的安裝，若太陽能電池板安裝在屋頂或空曠的草坪上，應(yīng)安裝一個(gè)避雷針（若太陽能電池 板已處在高層建筑物現(xiàn)有避雷針下述1點(diǎn)的保護(hù)網(wǎng)范圍內(nèi)，可不必另行安裝），安裝時(shí)要做到以下幾點(diǎn)：
①避雷針的保護(hù)范圍是個(gè)圓錐體，圓錐的頂點(diǎn)是避雷針的最高點(diǎn)，圓錐的母線與避雷；針的夾角理論上是45度，但為了保險(xiǎn)起見，保護(hù)范圍其夾角經(jīng)驗(yàn)值一般選取37。
②避雷針應(yīng)安裝在太陽能電池板的背光面；
③避雷針與太陽能電池板最近的構(gòu)件之間的距離應(yīng)等于或大于3m；
④避雷針的接地可與現(xiàn)有建筑物可靠的接地網(wǎng)焊牢在一起，也可重新按規(guī)范進(jìn)行埋設(shè)；
⑤避雷針的設(shè)計(jì)與制作應(yīng)符合GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（2000年版）的要求。