太陽能割草機(jī)的能源控制系統(tǒng)

陳 巍，趙曉峰

（1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 0500000；2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 0500000）

太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)中的各個(gè)組成系統(tǒng)元器件都是相對(duì)獨(dú)立的，所以它們具備良好的能源控制功能，屬于節(jié)能環(huán)保型設(shè)備。我國雖然針對(duì)該設(shè)備技術(shù)研究較晚，但目前已經(jīng)擁有了一定研究成果，基本掌握了光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，這為太陽能割草機(jī)的能源控制系統(tǒng)科學(xué)合理化運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。

1 太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)能源控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成

太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)擁有健全的能源控制系統(tǒng)，它可利用光伏電池中的光生伏打效應(yīng)將太陽能完全轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀片進(jìn)行工作，而剩余的電能能量則會(huì)存儲(chǔ)到割草系統(tǒng)蓄電池中。考慮到由于設(shè)備系統(tǒng)會(huì)受到環(huán)境因素影響，因此它的系統(tǒng)效率可能無法達(dá)到最大值，一般可采用最大功率點(diǎn)追蹤方法確保光伏電池能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率輸出，即滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率最大化。一般來說，太陽能割草機(jī)在減速或制動(dòng)過程中，它主要以電機(jī)控制取代普通機(jī)械制動(dòng)，如此可確保電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)持續(xù)工作，其所產(chǎn)生的電流則會(huì)輸送到蓄電池中儲(chǔ)備備用，這就是太陽能割草機(jī)所特有的“再生制動(dòng)”系統(tǒng)，如圖1所示[1]。

2 太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)能源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 總體方案提出

圖1 太陽能割草機(jī)的能量傳遞路線示意圖

在光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中，需要分析控制器協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)完成光伏發(fā)電的整個(gè)過程，明確它的發(fā)電系統(tǒng)控制器總體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示[2]。

圖2 太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)的能源控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在上述圖2的控制系統(tǒng)中，控制器就是核心，它決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的表現(xiàn)優(yōu)劣，在控制系統(tǒng)中就包含了檢測(cè)電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及人機(jī)交互系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)控制器要遵循其結(jié)構(gòu)原理，一般是指結(jié)合采樣檢測(cè)電路采集記錄與光伏電池的輸出電壓及電流值，在經(jīng)過A/D電路轉(zhuǎn)換后將電能存儲(chǔ)到單片機(jī)中，其中單片機(jī)主要根據(jù)MPPT算法輸出相應(yīng)PWM信號(hào)內(nèi)容，有效控制DC/DC轉(zhuǎn)換電路中電能，有效輸出符合負(fù)載要求的所有電壓。而在負(fù)載與光伏電池之間還設(shè)計(jì)接入了一個(gè)阻抗變換器，確保光伏電池的輸出阻抗與負(fù)載阻抗完全相等，此時(shí)輸出功率也會(huì)達(dá)到最大水平[3]。

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)包括了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，這其中信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，它負(fù)責(zé)基于最大功率點(diǎn)追蹤和負(fù)載電路保護(hù)功能，了解電路工作狀態(tài)下的環(huán)保節(jié)能狀況。主要來講就是它會(huì)針對(duì)電路中的輸入輸出電壓進(jìn)行分析，確保電流與溫度信號(hào)采樣到位，且通過采樣信號(hào)實(shí)際精度直接影響到系統(tǒng)整體的工作精度，達(dá)到節(jié)能降耗目標(biāo)。

結(jié)合這一特征，系統(tǒng)中就專門設(shè)計(jì)了附帶差動(dòng)輸入功能的多重運(yùn)算放大器，它擁有運(yùn)放低功率功能，且在工作溫度方面限制較小，可適應(yīng)溫度范圍較廣，且存在短路保護(hù)輸出裝置，結(jié)合單電源工作內(nèi)部補(bǔ)償功能輸入靜電，優(yōu)化靜電保護(hù)機(jī)制。就以多運(yùn)放功能的集成電路來說，它就采用到了雙列14引腳直插塑料進(jìn)行封裝改造，且在同一次可實(shí)現(xiàn)四次運(yùn)算過程，且工作電壓范圍相當(dāng)之廣，支持各種電源使用。信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的目的就是通過它來進(jìn)行電路電壓檢測(cè)和電路電流檢測(cè)，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。

在電路電壓檢測(cè)過程中，需要檢測(cè)電路中的電壓值，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)中以便于隨時(shí)調(diào)用。在檢測(cè)電壓值過程中需要結(jié)合光伏電池最大功率進(jìn)行檢測(cè)，明確計(jì)算依據(jù)內(nèi)容，結(jié)合電路中所出現(xiàn)的過壓或欠壓狀況進(jìn)行分析，獲取實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)信息。換言之，就是要在電路中形成一套完整的光伏電池輸入端系統(tǒng)，檢測(cè)電壓狀況，以調(diào)節(jié)電壓水平達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。

具體來講，電路電壓檢測(cè)過程中就運(yùn)用到了控制器，它通過Power連接光伏電池正極，分別通過電阻R11A/B/C/D/E以及R12共同構(gòu)建電阻分壓電路。在電路中要避免電壓過高以防止損壞芯片部分，另外配置C35電路構(gòu)建濾波電路，有效消除電壓工作中所存在的大量諧波影響。而同時(shí)還要在控制器周圍設(shè)置跟隨器，合理提高輸入電阻部分，形成限幅電路，避免出現(xiàn)電壓過高情況，導(dǎo)致單片機(jī)損壞。在該設(shè)計(jì)中，可檢測(cè)到電壓PV與光伏電池端電壓Power的相互關(guān)系，即當(dāng)控制器在完成放大處理后其電壓Vout與輸入直流電壓VDC之間會(huì)形成如下關(guān)系[4]：

另外還有溫度檢測(cè)電路，它也是控制器中必不可少的環(huán)節(jié)，即檢測(cè)溫度信號(hào)，做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)工作過程中的溫度狀態(tài)，看起是否被設(shè)置在允許范圍內(nèi)。針對(duì)溫度過高異?，F(xiàn)象需要做到第一時(shí)間控制處理，避免控制器被燒毀。一般來說，會(huì)在控制器中安裝專門的熱敏電阻，將其設(shè)置為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，結(jié)合其工作特性進(jìn)行分析，如果環(huán)境溫度越高，電阻值就越低，此時(shí)根據(jù)溫度性能設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路即可。結(jié)合溫度檢測(cè)電路，還可以同時(shí)設(shè)計(jì)輔助電路、驅(qū)動(dòng)電路等等，它們都能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的有效控制[5]。

3 結(jié) 語

在太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)設(shè)備中要設(shè)計(jì)節(jié)能控制器，基于硬件、軟件、檢測(cè)信號(hào)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高其能源轉(zhuǎn)化能力，確保割草機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力元件參數(shù)發(fā)揮最佳性能，提高控制器的控制效率，為設(shè)備節(jié)能降耗，達(dá)到既定工作應(yīng)用目的。在本文中針對(duì)太陽能光伏發(fā)電割草機(jī)的合理化設(shè)計(jì)主要是對(duì)其動(dòng)力元件參數(shù)的有效設(shè)計(jì)，其目的是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的一體化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，提高系統(tǒng)應(yīng)用性能，特別是增加整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，確保其在割草工作中體現(xiàn)高效率，滿足綠色環(huán)保生產(chǎn)要求。