小型太阳能供电系统及蓄电池充电设计

摘要

我国是一个人口大国，占世界第一的人口数量，可耕地面积也居世界首位，农业的发展决定我国的命脉。21世纪以来，我国农业发展可谓是突飞猛进，其中智能灌溉的发展更是有目共睹，智能灌溉解决了以往只依赖人力物力的传统式农业耕种慢、规划不合理、对人的依赖性大等问题。不但节约水资源而且大大提高了农作物的产量。但仅仅保证食物的产量是不够的，随之而来科学家又提出了精细农业，它的提出就是致力于保障食品安全、有机、绿色。在精细农业中，使用最广的就是基于物联网的智能灌溉系统，它与传统的智能灌溉相比采集的数据更多，通过传到大数据库进行对比分析，最后实施精细灌溉。这就需要在很多地方设置采集点和灌溉系统，各个系统需要持续供电，而在大地中使各个采集点并网用电显然是不符合实际的。所以，使用小型太阳能供电系统为智能灌溉系统进行供电是很有必要的。
　　本研究旨在解决基于物联网的智能灌溉系统的供电系统的设计。本系统采用独立的光伏发电系统，通过光电转化对系统进行供电，然后将剩余的电能储存到蓄电池中，蓄电池则在光伏功率不足时为智能灌溉系统充当后备电源。这样一来有以下几点问题需要去解决:第一，由于太阳能的利用率低，且太阳能输出功率不稳点，导致蓄电池充电的最佳时间很容易被错过。第二，基于物联网的智能灌溉系统的供电系统无法完全利用变换后的能量，这将使太阳能的利用率再次降低，此外太阳能的本身性质与外界环境因素的共同影响，使蓄电池的充放电控制困难，如果没有好的充电策略会严重的破坏蓄电池的内部结构，使蓄电池提前报废。所以，提高对光伏电池板的光照强度与合理的设计充放电电路对于解决小型太阳能供电系统的设计具有重要的战略意义。通过对光伏太阳能电池板进行Simulink仿真试验，验证了光照强度影响太阳能发电量，并根据一天当中太阳直射角度不同设计了双轴太阳跟踪系统，系统工作在一个三维坐标系统，通过两个电机的旋转，使得太阳能电池板能够迎着光照射的方向，从而最大限度的增加光照时间和光照强度。而后采用DC/DC实现的最大功率跟踪(MPPT)并结合三段式充电策略设计充放电控制器，避免了蓄电池因大电流引起的降低使用寿命的问题，同时由于蓄电池能够在最大功率点下进行充电，提高了蓄电池的充电速度，维持了整个系统的持久供电，在基于物联网的智能灌溉系统中取得良好的效果。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 技术路线

2 总体结构布局与系统关键部件分析

2．1 光伏系统总体设计

2．2 系统各个主要模块介绍

2．2．1 采光控制模块

2．2．2 能量转换电路

2．2．3 充放电控制模块

2．3 光伏电池原理分析

2．3．1 光伏电池的一般描述

2．3．2 光伏模块的数学建模

2．3．3 光伏电池模型

2．3．4 仿真分析

2．4 蓄电池的原理和特性

2．4．1 铅酸蓄电池的工作原理

2．4．2 铅酸蓄电池的特性

2．5 本章小结

3 光伏电池板自动跟踪与三段式充电

3．1 控制器选择与电路设计

3．1．1 DSP最小系统

3．1．2 DSP开发平台

3．2 步进电机与控制器

3．2．1 系统控制策略与组成

3．2．2 电机型号与原理图分析

3．2．3 步进电机控制规则

3．2．4 步进电机细分控制

3．2．5 速度反馈

3．2．6 PID调节

3．3 三段式蓄电池充电设计

3．3．1 电路作用

3．3．2 电路设计

3．4 电压转换电路

3．4．1 升降压电路的作用

3．4．2 BUCK-BOOST拓扑电路分析

3．4．3 电路原理图

3．5 光照强度传感器

3．6 电压电流检测

3．6．1 电流检测模块

3．6．2 A／D转换

3．7 本章小结

4 光伏电池板的最大功率跟踪方法设计

4．1 DC／DC变换电路实现MPPT的原理

4．1．1 Boost变换电路

4．1．2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型

4．2 读取光照强度

4．2．1 IIC总线

4．2．2 BH1750数据读取

4．3 电流电压采样

4．4 PWM波调制

4．5 本章小结

5 试验结论与数据采集分析

5．1 整套系统设计实物图

5．2 实验结果分析

5．2．1 采样分析与充电测试

5．2．2 光照强度实验

5．3 DC稳压效果分析

5．4 转动阈值的选择

5．5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文