CN102364810A

CN102364810A - 一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制方法与控制器

Info

Publication number: CN102364810A
Application number: CN2011102914460A
Authority: CN
Inventors: 王新辉; 柯鹏辉; 张睿婷
Original assignee: Changsha University
Current assignee: Changsha University
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102364810B

Abstract

本发明公开了一种能够在不同光照天气下，均能高效利用太阳能光伏电池发出电能的控制方法与控制器，该***由一个太阳能光伏电池、一个单片机、多级蓄电池、多个DC-DC升压充电电路、电压电流检测电路、继电器及其驱动电路、PWM光电耦合及脉冲输出电路组成。由软件驱动单片机，检测输入到IO端口的太阳能光伏电池输出电压、电流及各级蓄电池电压，并根据这些电压、电流值，得出太阳能光伏电池发出的电功率大小及各级蓄电池电量储存情况，控制继电器对电路进行切换，并控制PWM输出信号，实现电能吸收与传送的各种工作状态。从而控制电路全天候高效率地利用太阳能光伏电池发出的电功率。本发明采用较少且廉价的元器件，解决了太阳能光伏电池在不同光照条件下电能的利用及MPPT(Maximum Power Point Tracking最大功率点跟踪)的应用技术障碍，性价比极高，具有广阔的应用前景。

Description

一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制方法与控制器

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，涉及一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制的方法及其控制器。

技术背景

我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。全国三分之二以上地区的年日照大于2000小时，年均辐射量约为5900兆焦耳/平方米，属于太阳能利用条件较好的地区。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW(百万千瓦)，到2050年将达到600GW(百万千瓦)。按照中国电力科学院的预测，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25％，其中光伏发电装机将占到5％。而目前，我国太阳能发电装机容量仅为6.5万千瓦。未来15年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25％以上，太阳能发电投资总额为950亿元。太阳能发电产业发展空间巨大，我国利用太阳能发电尚处于起步阶段。

目前，利用太阳能光伏发电存在的技术难点主要是：1)太阳能光伏电池效率较低；2)电能的存储；3)太阳能不稳定使电路工作不稳定以及如何最大效率地利用好太阳能光伏发出的电功率。因而造成应用成本很高(发出的电价很高的)，而且供电不可靠，应用受限。前两个难点主要靠材料的发展与电池技术的发展来解决，本发明不涉及这些技术，第三个难点则主要靠电路控制技术来解决，它解决的是在现有条件下，如何最大效率地利用好太阳能光伏发电。人们为了利用太阳能光伏发电，通常是利用太阳能光伏电池对一定容量与电压的蓄电池充电，再将蓄电池的直流电能逆变为交流或上网或供负载直接使用。由于太阳能光伏电池电功率会随光照变化，为能在全天候光照下都能高效利用太阳能光伏电池的电能，需解决两个问题，一是当光照强度较大时，进行MPPT(Maximum PowerPoint Tracking最大功率点跟踪)；二是当光照低于某一强度，前述利用方式不能完成时，太阳能光伏电池电能的利用。这两个问题都要依赖控制技术来解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在太阳能光伏发电功率较低也能实现利用，在发电功率较高时能有效进行MPPT的一种控制方法与控制器，且易于实施、成本低、完成任务效率高。

本发明的技术解决方案如下：

一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制器，其特征在于，一个太阳能光伏电池、一个单片机、3级蓄电池、2个DC-DC升压充电电路、电压电流检测电路、继电器切换电路、PWM光电耦合及脉冲输出电路组成；单片机的4个IO端口作为AD转换输入端口，该4个IO端口分别检测太阳能光伏电池电压Uo、太阳能光伏电池的输出电流Io、蓄电池BT2、BT3上电压；

单片机的2个IO端口控制2路PWM信号(PWM1，PWM2)，它们分别通过光电耦合及脉冲输出电路控制两个DC-DC升压充电电路的开关管，用以对蓄电池BT2与BT3进行升压充电，并进行MPPT；

单片机的2个IO端口连接到2个光电耦合器控制两个继电器J1、J2切换升压电路，以实现在不同光照强度下，电功率能够从太阳能光伏电池到蓄电池的传送，有效吸收太阳能光伏电池的电功率，或者由前级蓄电池到后级蓄电池的传送。

所述单片机为ATMega AVR系列单片机。

一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制方法，采用上述的多级吸收太阳能光伏电池电能控制器，其工作状态有：

状态1：当电路启动时，太阳能光伏电池应对蓄电池BT1进行持续充电，当其电压达到2.7伏以上，单片机开始工作，由单片机对太阳能光伏电池电压U_O、电流I_O、蓄电池BT2、BT3的电压进行检测；

状态2：当蓄电池BT3亏电时，单片机启动PWM2输出，启动DC-DC升压充电电路，尝试通过太阳能光伏电池对蓄电池BT3进行充电，同时监测太阳能光伏电池的输出电功率变化，如果电功率增加，则进行MPPT控制，以找到最大功率输出点进行持续充电；如果电功率没有增加，则认为太阳能光伏电池输出功率不够，不适合直接对蓄电池BT3充电，转入状态3；

状态3：当蓄电池BT3亏电，查看蓄电池BT2是否亏电，如果蓄电池BT2不亏电，则单片机启动继电器J2，并以最大脉宽启动PWM2通过蓄电池BT2向蓄电池BT3充电，实现电功率从蓄电池BT2向蓄电池BT3传送；当蓄电池BT2亏电时，则进入状态4；

状态4：当蓄电池BT2亏电时，启动断电器J1，启动PWM1输出，并使DC-DC升压充电电路工作，尝试通过太阳能光伏电池对蓄电池BT2进行充电，同时监测太阳能光伏电池的输出电功率变化，如果电功率增加，则进行MPPT控制，以找到最大功率输出点进行持续充电；如果电功率没有增加，则认为太阳能光伏电池输出功率不够，不适合直接对蓄电池BT2充电，转入状态5；

状态5：此时太阳能光伏电池由于光照比较弱，输出电功率比较低，不能对蓄电池BT2与BT3进行充电，直接对蓄电池BT1进行充电利用，以维持单片机等核心器件的工作。当蓄电池BT2与BT3均持续亏电了规定的时间段，单片机发出警告信号，提示使用市电充电，工作状态回到状态1。

以上所述方案是一个三级蓄电池的解决方案，增加蓄电池级数的方法如下(参见说明书附图)：

1、第一级蓄电池BT1和最后一级蓄电池BTn保持不变。

2、增加的蓄电池为BT2至BTn-1等中间级，它们的电压与电池容量逐级递增。

3、每增加一个中间级蓄电池，需设置一个DC-DC升压电路、两个继电器控制电路及对中间级蓄电池电压进行检测的电阻分压电路。占用一个单片机IO端口输出PWM波去控制DC-DC升压电路，占用两个单片机IO端口控制2个继电器，占用一个单片机AD转换输入端检测中间级蓄电池电压。

4、增加中间级蓄电池级最大数受单片机的AD转换输入端个数和IO端口个数的限制。

本发明包含有一个太阳能光伏电池、一个单片机、多级蓄电池、多个DC-DC升压充电电路、电压电流检测电路、继电器切换电路、PWM光电耦合及脉冲输出电路组成及其连接线路(见说明书附图)、编程流程图，并列有应用示例。本发明中对太阳能光伏电池的高效利用控制方法体现为使用多个不同电压的多个蓄电池，当太阳能光伏电池在光照发生强弱变化时，启动不同的充电电路，来吸收太阳能光伏电池的功率，同时在充电时还使用MPPT跟踪，充分利用光伏功率。最后一级蓄电池的容量与电压是最大的，由它向负载供电，中间的蓄电池容量与电压要逐级递减，它们是在光伏功率低时，吸收光伏功率。并能逐级向后提供充电电能，即能实现接力充电。因而它类似于逐级提水的供水方式。

有益效果：

本发明采用多级蓄电池及较为简单的电路，解决了高效利用太阳能光伏电池电能的问题，具有应用方便可靠的特点，而且编程容易，易于实施，适合于太阳能光伏电池容量不能太大，输出电压不高的场合应用，尤其适合于电动自行车的太阳能能利用，减少市电依赖，增加续行里程。因此，实施本发明极具清洁环保意义，具有很广的应用前景。

附图说明

图1为本发明中太阳能光伏电池能量及各级吸收蓄电池之间的电能流向示意图，在单片机控制下，实现电能从太阳能光伏电池向各级蓄电池或者由各级蓄电池逐级向后传送，直至传送到最后一级蓄电池；图2为本发明的由3级蓄电池组成的吸收电能控制电路图，图中BT0为太阳能光伏电池，BT1、BT2为中间级蓄电池，BT3为最后一级蓄电池，最终由它向负载供电。

图3，图4，图5为软件设计流程图，图3为单片机主机主程序流程图，图4，图5分别为各级蓄电池吸收电能子程序工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明的技术方案及工作过程作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

参见图2，一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制器，其特征在于，一个太阳能光伏电池、一个单片机、3级蓄电池、2个DC-DC升压充电电路、电压电流检测电路、继电器切换电路、PWM光电耦合及脉冲输出电路组成；单片机的4个IO端口作为AD转换输入端口，该4个IO端口分别检测太阳能光伏电池电压Uo、太阳能光伏电池的输出电流Io、蓄电池BT2、BT3上电压；

单片机的2个IO端口产生2路PWM信号(PWM1，PWM2)，它们分别通过光电耦合及脉冲输出电路控制两个DC-DC升压充电电路的MOS开关管，用以对蓄电池BT2与BT3进行升压充电，并进行MPPT；

单片机的2个IO端口连接到2个光电耦合器上，控制两个继电器J1、J2，切换升压电路，使在不同的太阳光照下，电功率能从太阳能光伏电池传送到蓄电池，有效吸收太阳能光伏电池电功率，或者由前级蓄电池传送到后级蓄电池。

所述单片机为ATMega AVR系列单片机。

一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制方法，采用前述的多级吸收太阳能光伏电池电能的控制器，其工作状态有：

状态1：当电路启动时，太阳能光伏电池应对蓄电池BT1进行持续充电，让其电压达到2.7伏以上，使单片机开始工作，由单片机对太阳能光伏电池电压Uo、电流Io及蓄电池BT2、蓄电池BT3的电压进行检测；

状态3：当蓄电池BT3亏电，查看蓄电池BT2是否亏电，如果蓄电池BT2不亏电，则单片机启动继电器J2，并以最大脉宽启动PWM2，通过蓄电池BT2向蓄电池BT3充电，实现电功率从蓄电池BT2向BT3传送；当蓄电池BT2亏电时，则进入状态4；

状态4：当蓄电池BT2亏电时，启动继电器J1，并启动PWM1输出，使DC-DC升压充电电路工作，尝试通过太阳能光伏电池对蓄电池BT2进行充电，同时监测太阳能光伏电池的输出电功率变化，如果电功率增加，则进行MPPT控制，以找到最大功率输出点进行持续充电；如果电功率没有增加，则认为太阳能光伏电池输出功率不够，不适合直接对蓄电池BT2充电，转入状态5；

状态5：此时太阳能光伏电池由于光照比较弱，输出电功率比较低，不能对蓄电池BT2与BT3进行充电，直接对蓄电池BT1进行充电利用，以维持单片机等核心器件的工作，沁蓄电池BT2与BT3均持续亏电了规定的时间段，单片机发出警告信号，提示使用市电充电，工作状态回到状态1。

一、主程序

单片机主程序如图2所示的操作流程，在***启动后一直运行。

二、子程序

各级蓄电池吸收电能，按如图3、图4所示的流程进行操作。其中图4是最后一级蓄电池的工作流程，图3为第2级蓄电池工作流程。

如果***中超过3级，则增加的这些蓄电池流程都应按图4操作。

实用效果：

将本技术应用于某电动自行车上实验，将电动自行车的原有48V蓄电池作为最后一级蓄电池，中间加上2级蓄电池，电压分别为2.8V和9V，太阳能光伏电池标称功率50W，开路电压21.4V短路电流3.31A，加上本发明电路后，在光照强烈的夏季，利用太阳能光伏电能充电，平均每天单人骑行20公里以内的里程，基本无须市电充电。

Claims

1.一种多级吸收太阳能光伏电池电能控制器，其特征在于，一个太阳能光伏电池、一个单片机、3级蓄电池、2个DC-DC升压充电电路、电压电流检测电路、继电器切换电路、PWM光电耦合及脉冲输出电路组成；单片机的4个IO端口作为AD转换输入端口，该4个IO端口分别检测太阳能光伏电池电压Uo、太阳能光伏电池的输出电流Io、蓄电池BT2上电压、蓄电池BT3上电压；

单片机的2个IO端口产生2路PWM信号(PWM1，PWM2)，它们分别通过光电耦合及脉冲输出电路控制2个DC-DC升压充电电路的开关管，用以对蓄电池BT2与BT3进行升压充电，并进行MPPT；

单片机的2个IO端口连接到2个光电耦合器控制两个继电器J1、J2切换升压电路，以实现在不同光照强度下，电功率能够从太阳能光伏电池到蓄电池的传送，有效吸收太阳能光伏电池的电功率，或者由前级蓄电池到后级蓄电池的传送；

所述单片机为ATMega AVR系列单片机。

2.一种多级吸收太阳能光伏电池电能的控制方法，采用权利1所述的多级吸收太阳能光伏电池电能控制器，其工作状态有：

状态3：当蓄电池BT3亏电，查看蓄电池BT2是否亏电，如果蓄电池BT2不亏电，则单片机启动继电器J2，并以最大脉宽启动PWM2通过蓄电池BT2向蓄电池BT3充电，实现电功率从蓄电池BT2向蓄电池BT3传送，当蓄电池BT2亏电时，则进入状态4；

状态4：当蓄电池BT2亏电时，启动继电器J1，并启动PWM1输出，使D C-DC升压充电电路工作，尝试通过太阳能光伏电池对蓄电池BT2进行充电，同时监测太阳能光伏电池的输出电功率变化，如果电功率增加，则进行MPPT控制，以找到最大功率输出点进行持续充电；如果电功率没有增加，则认为太阳能光伏电池输出功率不够，不适合直接对蓄电池BT2充电，转入状态5；

状态5：此时太阳能光伏电池由于光照比较弱，输出电功率比较低，不能对蓄电池BT2与BT3进行充电，直接对蓄电池BT1进行充电利用，以维持单片机等核心器件的工作，当蓄电池BT2与BT3均持续亏电了规定的时间段，单片机发出警告信号，提示使用市电充电，工作状态回到状态1。