專利名稱：一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制方法與控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制的方法及其控制器。
背景技術(shù)：
我國太陽能資源非常豐富，開發(fā)利用的潛力非常大。全國三分之二以上地區(qū)的年日照大于2000小時(shí)，年均輻射量約為5900兆焦耳/平方米，屬于太陽能利用條件較好的地區(qū)。根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國力爭(zhēng)使太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到 1. 8Gff(百萬千瓦)，到2050年將達(dá)到600GW(百萬千瓦)。按照中國電力科學(xué)院的預(yù)測(cè)，到 2050年，中國可再生能源的電力裝機(jī)將占全國電力裝機(jī)的25%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)將占到 5%。而目前，我國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H為6. 5萬千瓦。未來15年，我國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25%以上，太陽能發(fā)電投資總額為950億元。太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大，我國利用太陽能發(fā)電尚處于起步階段。目前，利用太陽能光伏發(fā)電存在的技術(shù)難點(diǎn)主要是1)太陽能光伏電池效率較低；2)電能的存儲(chǔ)；幻太陽能不穩(wěn)定使電路工作不穩(wěn)定以及如何最大效率地利用好太陽能光伏發(fā)出的電功率。因而造成應(yīng)用成本很高(發(fā)出的電價(jià)很高的)，而且供電不可靠，應(yīng)用受限。前兩個(gè)難點(diǎn)主要靠材料的發(fā)展與電池技術(shù)的發(fā)展來解決，本發(fā)明不涉及這些技術(shù)， 第三個(gè)難點(diǎn)則主要靠電路控制技術(shù)來解決，它解決的是在現(xiàn)有條件下，如何最大效率地利用好太陽能光伏發(fā)電。人們?yōu)榱死锰柲芄夥l(fā)電，通常是利用太陽能光伏電池對(duì)一定容量與電壓的蓄電池充電，再將蓄電池的直流電能逆變?yōu)榻涣骰蛏暇W(wǎng)或供負(fù)載直接使用。 由于太陽能光伏電池電功率會(huì)隨光照變化，為能在全天候光照下都能高效利用太陽能光伏電池的電能，需解決兩個(gè)問題，一是當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，進(jìn)行MPPT (Maximum Power Point Tracking最大功率點(diǎn)跟蹤)；二是當(dāng)光照低于某一強(qiáng)度，前述利用方式不能完成時(shí)，太陽能光伏電池電能的利用。這兩個(gè)問題都要依賴控制技術(shù)來解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠在太陽能光伏發(fā)電功率較低也能實(shí)現(xiàn)利用，在發(fā)電功率較高時(shí)能有效進(jìn)行MPPT的一種控制方法與控制器，且易于實(shí)施、成本低、完成任務(wù)效率高。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制器，其特征在于，一個(gè)太陽能光伏電池、 一個(gè)單片機(jī)、3級(jí)蓄電池、2個(gè)DC-DC升壓充電電路、電壓電流檢測(cè)電路、繼電器切換電路、 PWM光電耦合及脈沖輸出電路組成；單片機(jī)的4個(gè)IO端口作為AD轉(zhuǎn)換輸入端口，該4個(gè)IO 端口分別檢測(cè)太陽能光伏電池電壓Uo、太陽能光伏電池的輸出電流Ιο、蓄電池BT2、BT3上電壓；單片機(jī)的2個(gè)IO端口控制2路PWM信號(hào)(PWM1，PWM2)，它們分別通過光電耦合及
3脈沖輸出電路控制兩個(gè)DC-DC升壓充電電路的開關(guān)管，用以對(duì)蓄電池BT2與BT3進(jìn)行升壓充電，并進(jìn)行MPPT ；單片機(jī)的2個(gè)IO端口連接到2個(gè)光電耦合器控制兩個(gè)繼電器Jl、J2切換升壓電路，以實(shí)現(xiàn)在不同光照強(qiáng)度下，電功率能夠從太陽能光伏電池到蓄電池的傳送，有效吸收太陽能光伏電池的電功率，或者由前級(jí)蓄電池到后級(jí)蓄電池的傳送。所述單片機(jī)為ATMega AVR系列單片機(jī)。一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制方法，采用上述的多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能控制器，其工作狀態(tài)有狀態(tài)1 當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)，太陽能光伏電池應(yīng)對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行持續(xù)充電，當(dāng)其電壓達(dá)到2. 7伏以上，單片機(jī)開始工作，由單片機(jī)對(duì)太陽能光伏電池電壓隊(duì)、電流Itj、蓄電池BT2、 BT3的電壓進(jìn)行檢測(cè)；狀態(tài)2 當(dāng)蓄電池BT3虧電時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)PWM2輸出，啟動(dòng)DC-DC升壓充電電路， 嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT3進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化，如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電；如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT3充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)3 ；狀態(tài)3 當(dāng)蓄電池BT3虧電，查看蓄電池BT2是否虧電，如果蓄電池BT2不虧電，則單片機(jī)啟動(dòng)繼電器J2，并以最大脈寬啟動(dòng)PWM2通過蓄電池BT2向蓄電池BT3充電，實(shí)現(xiàn)電功率從蓄電池BT2向蓄電池BT3傳送；當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，則進(jìn)入狀態(tài)4 ；狀態(tài)4 當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，啟動(dòng)斷電器J1，啟動(dòng)PWMl輸出，并使DC-DC升壓充電電路工作，嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT2進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化，如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電；如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT2 充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)5 ；狀態(tài)5 此時(shí)太陽能光伏電池由于光照比較弱，輸出電功率比較低，不能對(duì)蓄電池 BT2與BT3進(jìn)行充電，直接對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行充電利用，以維持單片機(jī)等核心器件的工作。當(dāng)蓄電池BT2與BT3均持續(xù)虧電了規(guī)定的時(shí)間段，單片機(jī)發(fā)出警告信號(hào)，提示使用市電充電， 工作狀態(tài)回到狀態(tài)1。以上所述方案是一個(gè)三級(jí)蓄電池的解決方案，增加蓄電池級(jí)數(shù)的方法如下(參見說明書附圖)1、第一級(jí)蓄電池BTl和最后一級(jí)蓄電池BTn保持不變。2、增加的蓄電池為BT2至BTn-I等中間級(jí)，它們的電壓與電池容量逐級(jí)遞增。3、每增加一個(gè)中間級(jí)蓄電池，需設(shè)置一個(gè)DC-DC升壓電路、兩個(gè)繼電器控制電路及對(duì)中間級(jí)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)的電阻分壓電路。占用一個(gè)單片機(jī)IO端口輸出PWM波去控制DC-DC升壓電路，占用兩個(gè)單片機(jī)IO端口控制2個(gè)繼電器，占用一個(gè)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換輸入端檢測(cè)中間級(jí)蓄電池電壓。4、增加中間級(jí)蓄電池級(jí)最大數(shù)受單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸入端個(gè)數(shù)和IO端口個(gè)數(shù)的限制。本發(fā)明包含有一個(gè)太陽能光伏電池、一個(gè)單片機(jī)、多級(jí)蓄電池、多個(gè)DC-DC升壓充
4電電路、電壓電流檢測(cè)電路、繼電器切換電路、PWM光電耦合及脈沖輸出電路組成及其連接線路(見說明書附圖)、編程流程圖，并列有應(yīng)用示例。本發(fā)明中對(duì)太陽能光伏電池的高效利用控制方法體現(xiàn)為使用多個(gè)不同電壓的多個(gè)蓄電池，當(dāng)太陽能光伏電池在光照發(fā)生強(qiáng)弱變化時(shí)，啟動(dòng)不同的充電電路，來吸收太陽能光伏電池的功率，同時(shí)在充電時(shí)還使用MPPT 跟蹤，充分利用光伏功率。最后一級(jí)蓄電池的容量與電壓是最大的，由它向負(fù)載供電，中間的蓄電池容量與電壓要逐級(jí)遞減，它們是在光伏功率低時(shí)，吸收光伏功率。并能逐級(jí)向后提供充電電能，即能實(shí)現(xiàn)接力充電。因而它類似于逐級(jí)提水的供水方式。有益效果本發(fā)明采用多級(jí)蓄電池及較為簡(jiǎn)單的電路，解決了高效利用太陽能光伏電池電能的問題，具有應(yīng)用方便可靠的特點(diǎn)，而且編程容易，易于實(shí)施，適合于太陽能光伏電池容量不能太大，輸出電壓不高的場(chǎng)合應(yīng)用，尤其適合于電動(dòng)自行車的太陽能能利用，減少市電依賴，增加續(xù)行里程。因此，實(shí)施本發(fā)明極具清潔環(huán)保意義，具有很廣的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明中太陽能光伏電池能量及各級(jí)吸收蓄電池之間的電能流向示意圖， 在單片機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)電能從太陽能光伏電池向各級(jí)蓄電池或者由各級(jí)蓄電池逐級(jí)向后傳送，直至傳送到最后一級(jí)蓄電池；圖2為本發(fā)明的由3級(jí)蓄電池組成的吸收電能控制電路圖，圖中BTO為太陽能光伏電池，BT1、BT2為中間級(jí)蓄電池，BT3為最后一級(jí)蓄電池，最終由它向負(fù)載供電。圖3，圖4，圖5為軟件設(shè)計(jì)流程圖，圖3為單片機(jī)主機(jī)主程序流程圖，圖4，圖5分別為各級(jí)蓄電池吸收電能子程序工作流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及工作過程作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此實(shí)施例1參見圖2，一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制器，其特征在于，一個(gè)太陽能光伏電池、一個(gè)單片機(jī)、3級(jí)蓄電池、2個(gè)DC-DC升壓充電電路、電壓電流檢測(cè)電路、繼電器切換電路、PWM光電耦合及脈沖輸出電路組成；單片機(jī)的4個(gè)IO端口作為AD轉(zhuǎn)換輸入端口，該 4個(gè)IO端口分別檢測(cè)太陽能光伏電池電壓Uo、太陽能光伏電池的輸出電流Ιο、蓄電池BT2、 BT3上電壓；單片機(jī)的2個(gè)IO端口產(chǎn)生2路PWM信號(hào)(PWM1，PWM2)，它們分別通過光電耦合及脈沖輸出電路控制兩個(gè)DC-DC升壓充電電路的MOS開關(guān)管，用以對(duì)蓄電池BT2與BT3進(jìn)行升壓充電，并進(jìn)行MPPT ；單片機(jī)的2個(gè)IO端口連接到2個(gè)光電耦合器上，控制兩個(gè)繼電器Jl、J2，切換升壓電路，使在不同的太陽光照下，電功率能從太陽能光伏電池傳送到蓄電池，有效吸收太陽能光伏電池電功率，或者由前級(jí)蓄電池傳送到后級(jí)蓄電池。所述單片機(jī)為ATMega AVR系列單片機(jī)。一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制方法，采用前述的多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制器，其工作狀態(tài)有狀態(tài)1 當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)，太陽能光伏電池應(yīng)對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行持續(xù)充電，讓其電壓達(dá)到2. 7伏以上，使單片機(jī)開始工作，由單片機(jī)對(duì)太陽能光伏電池電壓Uo、電流Io及蓄電池 BT2、蓄電池BT3的電壓進(jìn)行檢測(cè)；狀態(tài)2 當(dāng)蓄電池BT3虧電時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)P麗2輸出，啟動(dòng)DC-DC升壓充電電路， 嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT3進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化，如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電；如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT3充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)3 ；狀態(tài)3 當(dāng)蓄電池BT3虧電，查看蓄電池BT2是否虧電，如果蓄電池BT2不虧電，則單片機(jī)啟動(dòng)繼電器J2，并以最大脈寬啟動(dòng)PWM2，通過蓄電池BT2向蓄電池BT3充電，實(shí)現(xiàn)電功率從蓄電池BT2向BT3傳送；當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，則進(jìn)入狀態(tài)4 ；狀態(tài)4 當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，啟動(dòng)繼電器Jl，并啟動(dòng)P^l輸出，使DC-DC升壓充電電路工作，嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT2進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化，如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電；如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT2 充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)5 ；狀態(tài)5 此時(shí)太陽能光伏電池由于光照比較弱，輸出電功率比較低，不能對(duì)蓄電池 BT2與BT3進(jìn)行充電，直接對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行充電利用，以維持單片機(jī)等核心器件的工作，沁蓄電池BT2與BT3均持續(xù)虧電了規(guī)定的時(shí)間段，單片機(jī)發(fā)出警告信號(hào)，提示使用市電充電， 工作狀態(tài)回到狀態(tài)1。一、主程序單片機(jī)主程序如圖2所示的操作流程，在系統(tǒng)啟動(dòng)后一直運(yùn)行。二、子程序各級(jí)蓄電池吸收電能，按如圖3、圖4所示的流程進(jìn)行操作。其中圖4是最后一級(jí)蓄電池的工作流程，圖3為第2級(jí)蓄電池工作流程。如果系統(tǒng)中超過3級(jí)，則增加的這些蓄電池流程都應(yīng)按圖4操作。實(shí)用效果將本技術(shù)應(yīng)用于某電動(dòng)自行車上實(shí)驗(yàn)，將電動(dòng)自行車的原有48V蓄電池作為最后一級(jí)蓄電池，中間加上2級(jí)蓄電池，電壓分別為2. 8V和9V，太陽能光伏電池標(biāo)稱功率50W， 開路電壓21. 4V短路電流3. 31A，加上本發(fā)明電路后，在光照強(qiáng)烈的夏季，利用太陽能光伏電能充電，平均每天單人騎行20公里以內(nèi)的里程，基本無須市電充電。
權(quán)利要求
1.一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能控制器，其特征在于，一個(gè)太陽能光伏電池、一個(gè)單片機(jī)、3級(jí)蓄電池、2個(gè)DC-DC升壓充電電路、電壓電流檢測(cè)電路、繼電器切換電路、PWM光電耦合及脈沖輸出電路組成；單片機(jī)的4個(gè)IO端口作為AD轉(zhuǎn)換輸入端口，該4個(gè)IO端口分別檢測(cè)太陽能光伏電池電壓Uo、太陽能光伏電池的輸出電流Ιο、蓄電池BT2上電壓、蓄電池BT3上電壓；單片機(jī)的2個(gè)IO端口產(chǎn)生2路PWM信號(hào)(PWM1，PWM2)，它們分別通過光電耦合及脈沖輸出電路控制2個(gè)DC-DC升壓充電電路的開關(guān)管，用以對(duì)蓄電池BT2與BT3進(jìn)行升壓充電， 并進(jìn)行MPPT ；單片機(jī)的2個(gè)IO端口連接到2個(gè)光電耦合器控制兩個(gè)繼電器Jl、J2切換升壓電路，以實(shí)現(xiàn)在不同光照強(qiáng)度下，電功率能夠從太陽能光伏電池到蓄電池的傳送，有效吸收太陽能光伏電池的電功率，或者由前級(jí)蓄電池到后級(jí)蓄電池的傳送；所述單片機(jī)為ATMega AVR系列單片機(jī)。
2.一種多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能的控制方法，采用權(quán)利1所述的多級(jí)吸收太陽能光伏電池電能控制器，其工作狀態(tài)有狀態(tài)1 當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)，太陽能光伏電池應(yīng)對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行持續(xù)充電，讓其電壓達(dá)到 2. 7伏以上，使單片機(jī)開始工作，由單片機(jī)對(duì)太陽能光伏電池電壓Uo、電流Io及蓄電池BT2、 蓄電池BT3的電壓進(jìn)行檢測(cè)；狀態(tài)2 當(dāng)蓄電池BT3虧電時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)PWM2輸出，啟動(dòng)DC-DC升壓充電電路，嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT3進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化， 如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電；如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT3充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)3;狀態(tài)3 當(dāng)蓄電池BT3虧電，查看蓄電池BT2是否虧電，如果蓄電池BT2不虧電，則單片機(jī)啟動(dòng)繼電器J2，并以最大脈寬啟動(dòng)PWM2通過蓄電池BT2向蓄電池BT3充電，實(shí)現(xiàn)電功率從蓄電池BT2向蓄電池BT3傳送，當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，則進(jìn)入狀態(tài)4 ；狀態(tài)4 當(dāng)蓄電池BT2虧電時(shí)，啟動(dòng)繼電器Jl，并啟動(dòng)PWMl輸出，使D C-DC升壓充電電路工作，嘗試通過太陽能光伏電池對(duì)蓄電池BT2進(jìn)行充電，同時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池的輸出電功率變化，如果電功率增加，則進(jìn)行MPPT控制，以找到最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)充電； 如果電功率沒有增加，則認(rèn)為太陽能光伏電池輸出功率不夠，不適合直接對(duì)蓄電池BT2充電，轉(zhuǎn)入狀態(tài)5 ；狀態(tài)5 此時(shí)太陽能光伏電池由于光照比較弱，輸出電功率比較低，不能對(duì)蓄電池BT2 與BT3進(jìn)行充電，直接對(duì)蓄電池BTl進(jìn)行充電利用，以維持單片機(jī)等核心器件的工作，當(dāng)蓄電池BT2與BT3均持續(xù)虧電了規(guī)定的時(shí)間段，單片機(jī)發(fā)出警告信號(hào)，提示使用市電充電，工作狀態(tài)回到狀態(tài)1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠在不同光照天氣下，均能高效利用太陽能光伏電池發(fā)出電能的控制方法與控制器，該系統(tǒng)由一個(gè)太陽能光伏電池、一個(gè)單片機(jī)、多級(jí)蓄電池、多個(gè)DC-DC升壓充電電路、電壓電流檢測(cè)電路、繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路、PWM光電耦合及脈沖輸出電路組成。由軟件驅(qū)動(dòng)單片機(jī)，檢測(cè)輸入到IO端口的太陽能光伏電池輸出電壓、電流及各級(jí)蓄電池電壓，并根據(jù)這些電壓、電流值，得出太陽能光伏電池發(fā)出的電功率大小及各級(jí)蓄電池電量?jī)?chǔ)存情況，控制繼電器對(duì)電路進(jìn)行切換，并控制PWM輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電能吸收與傳送的各種工作狀態(tài)。從而控制電路全天候高效率地利用太陽能光伏電池發(fā)出的電功率。本發(fā)明采用較少且廉價(jià)的元器件，解決了太陽能光伏電池在不同光照條件下電能的利用及MPPT(Maximum Power Point Tracking最大功率點(diǎn)跟蹤)的應(yīng)用技術(shù)障礙，性價(jià)比極高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N6/00GK102364810SQ20111029144
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者張睿婷, 柯鵬輝, 王新輝 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙學(xué)院