小型太陽能發電系統典型器件電路分析

段文學，秦 瑤，李德成

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 引 言

太陽能光伏發電系統是以太陽能電池為核心的新型電源系統。隨著太陽能電池組件、蓄電池、充電控制器以及逆變器等設計制造技術的不斷進步與發展，以太陽能電池為核心的太陽能發電系統已廣泛應用于不同領域。掌握太陽能發電系統相關專業技術知識，是對電氣工作人員提出的一項必不可少的技術要求。小型太陽能發電系統一般由太陽能電池板、太陽能充電控制器、蓄電池、逆變器以及發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈驅動控制器等組成。本文介紹了獨立太陽能發電系統組成結構，以提高對太陽能發電系統結構總體的認識。分析了太陽能充電控制器、逆變器及LED燈驅動器等電路的構成及工作原理，以提高對太陽能電池板、太陽能充電控制器、蓄電池、逆變器以及LED燈驅動控制器等電路的組成及工作原理的了解。為組建太陽能發電系統在設備選型、關鍵電路設計及太陽能發電系統運行維護等方面提供指導意見，以便搭建適宜不同應用場景的小型太陽能發電系統。

1 獨立太陽能發電系統結構介紹

獨立太陽能發電系統結構如圖1所示。獨立太陽能發電系統主要由太陽能電池板、蓄電池組、太陽能充電控制器、逆變器及交流直流用電設備組成。太陽能電池板在陽光照射下，利用光伏效應將太陽輻射能直接轉換成電能。太陽能電池板產生的電能在太陽能充電控制器的控制下對蓄電池進行充電，蓄電池儲存的電能在太陽能控制器的控制下對直流負荷供電，逆變器將蓄電池儲存的電能逆變為220 V的交流電為用電設備供電。

圖1 獨立太陽能發電系統結構

2 太陽能電池板結構原理簡介

太陽能電池板結構原理如圖2所示，光伏發電的原理就是利用半導體PN結的光生伏特效應，將光能轉變為電能。太陽能電池單元經過串聯、并聯連接后進行整體封裝，即可形成不同電壓、不同容量的太陽電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

圖2 太陽能電池板結構

由圖2可知，當太陽光照在N型半導體上時，光能轉變為電子，就會有大量的電子流向PN結，同時在P型半導體中就會產生大量的空穴流向PN結，這樣PN結逐漸加厚，PN結內部電場逐漸增大。當外部電路接通后，就會有空穴由P區流出經外部電路流到N區，與N區的電子中和，有空穴（或電子）的移動就有電流形成。

3 太陽能控制器電路分析

3.1 太陽能控制器系統結構

太陽能控制器系統結構如圖3所示，太陽能控制器由直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換電路、充放電保護電路、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、電流電壓檢測電路以及驅動控制電路等組成。其作用是檢測太陽能電池板產生的電壓、電流信號，并傳輸給微控制器以產生驅動控制信號，利用DC/DC轉換電路變換太陽能電池板的電壓后再經充電保護電路傳輸為蓄電池充電，蓄電池在微控制器的控制下經放電保護電路為直流負載供電。

圖3 太陽能控制器結構

3.2 太陽能控制器電路分析

由LM358和LM317構成的太陽能控制器電路如圖4所示。

圖4 由LM358和LM317構成的太陽能充放電控制器原理

由LM317、R4、R5、C3組成可調穩壓供電電路，將蓄電池電壓經穩壓控制后產生穩定的直流電壓，為運算放大器LM358及蓄電池充放電控制三極管Q1、Q3提供工作電源[1]。充放電控制三極管Q2、Q4及繼電器J1、J2的工作電源由蓄電池直接供給。

蓄電池充電控制電路由 R2、RP1、A1、Q1、Q2、J1等組成。由R2、RP1組成的串聯分壓電路，用于檢測蓄電池電壓，加到運算放大器A1的同相輸入端5腳。由R6、ZD1組成的基準電壓形成電路產生的基準電壓，分別加到運算放大器A1反相輸入端6腳和A2反相輸入端2腳。

蓄電池充電控制電路工作過程如下：當蓄電池未充滿電時，A1的5腳電壓小于6腳電壓，運算放大器A1的7腳輸出低平，Q1截止，Q2導通，繼電器J1勵磁，其常開接點J1-1閉合。太陽能電池電壓經D1、常開接點J1-1及保險給蓄電池充電，同時充電指示燈LED2點亮，表示蓄電池處于充電工作狀態。當蓄電池充滿電時，A1的5腳電壓大于6腳電壓，比較器A1的7腳輸出低電平，Q1飽和導通，Q2截止，繼電器J1失磁，其常開接點J1-1斷開。太陽能電池停止對蓄電池充電，同時停充電指示燈LED1點亮，表示蓄電池處于停止充電工作狀態。

蓄電池放電控制電路由R3、RP2、A2、Q3、Q4以及J2等組成。由R3、RP2組成的串聯分壓電路用于檢測蓄電池電壓，加到運算放大器A2的同相輸入端3腳；由R6、ZD1組成的基準電壓形成電路產生的基準電壓，分別加到運算放大器A1反相輸入端6腳和A2反相輸入端2腳。

蓄電池放電控制電路工作過程如下：當蓄電池電壓正常時，A1的3腳電壓大于2腳電壓，比較器A2的1腳輸出高電平，Q3飽和導通，Q4截止，繼電器J2失磁，其常閉接點J2-2閉合。蓄電池電壓經保險、常閉接點J2-2給直流負載LOAD供電。蓄電池電壓經常閉接點J2-1及電阻R17點亮LED4指示燈，表示蓄電池對負載供電正常。當蓄電池電壓低于放電截止電壓時，A1的3腳電壓小于2腳電壓，比較器A2的1腳輸出低電平，Q3截止，Q4飽和導通，繼電器J2勵磁，其常閉接點J2-2斷開。蓄電池停止對直流負載LOAD供電回路。同時，LED4指示燈熄滅，正常指示LED4熄滅，表示蓄電池停止對負載供電正常。

一種由微控制器實現的太陽能充電控制器結構如圖5所示，它主要由微控制器、DC/DC變換電路、充電控制電路以及放電控制電路等組成。太陽能電池板產生的電能在充電控制器的作用下進行穩壓穩流控制后，經MOS管Q1、Q2、Q3及Q4為蓄電池充電，當電池充滿電或夜晚太陽能電池不發電時自動停止充電。蓄電池電壓經DC/DC變換后經通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口輸出5 V電壓。蓄電池電壓在微控制器的控制下經過金屬氧化物半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管Q5為直流負載供電，直流負載可手動控制也可通過光敏元件在夜晚自動控制。

圖5 由微控制器實現的太陽能充電控制器結構

電池充電控制電路如圖6所示，主要由運放LM258、微控制器PCU、MOS管Q1～Q4及相關外圍電路等構成，實現太陽能電池板對蓄電池充電控制。LM258的3腳輸出控制信號去控制MOS管Q3、Q4，正極電壓經D1、680 Ω電阻及穩壓管穩壓后給LM258提供工作電源。微控制器中央處理器（Central Processing Unit，CPU）輸出控制信號經3只三極管放大后去控制MOS管Q1、Q2。

圖6 電池充電控制器電路

直流負載（路燈）控制電路由運算放大器LM258、三極管、MOS管Q5、微控制器MCU及相關外圍電路等構成，微控制器檢測是否到開燈時間或直流負載開關是否按下，通過LM258輸出控制集中經三極管放大后去控制MOS管Q5以控制直流負載（路燈）的開啟和關閉。

UBS輸出控制電路如圖6（c）所示，主要由FAP30463電源轉換芯片、三極管、微控制器MCU及相關外部電路等構成。蓄電池電壓在微控制器的控制下，經DC/DC變換電路后產生5 V穩定的電壓經USB接口輸出。FAP30463是1種DC/DC轉換電路芯片，廣泛應用各種直流電壓轉換電路中。圖6（c）中，蓄電池電壓正極經D1加到8腳、6腳及1腳，控制信號由中央處理器（Central Processing Unit，CPU）輸出經放大后加到7腳，3腳外接定時電容，輸出電壓反饋信號由5腳輸入。輸出電壓由2腳輸出，4腳為接地端。

4 逆變器電路原理分析

逆變器的作用是將低壓直流電如12 V變換為220 V的交流電。簡易逆變器的電路原理如圖7所示，逆變器電路由2只晶體管、2只電阻及1只雙12 V/220 V變壓器構成。2只晶體管輪流導通（截止），12 V電池在變壓器初級的2個繞組中產生方向不同的電流，這樣在次級繞組中就感應產生交流電，從而實現了直流電變為交流電的變換。

圖7 逆變器電路原理

基于TL494構成的逆變器電路如圖8所示，由TL494及其外部電路組成雙路脈沖寬度調制（Pule Width Modulation，PWM）形成 電 路[2,3]。VT1-VT6及其外部電路構成PWM脈沖放大驅動電路，變壓器T1構成電壓放大及輸出電壓取樣電路，蓄電池、電感L1及開關S等構成供電電路。電池電壓經保險FU1及電感L1加到變壓器初級繞組的中心抽頭，經兩個初級繞組后分別加到推挽放大管VT1～VT6的漏極[4]。電池電壓經開關S后分別加到TL494的第8、11、12腳給TL494提供工作電源。輸出電壓采樣電路由變壓器T1的輸出繞組、VD7、C9、R1及R2等電路組成，輸出采樣電壓加到TL494的第1腳。基準電壓形成電路由TL494的第13、14、15、R6、R7、C4、R3及C1等組成，基準電壓由TL494的第2腳輸入。第5腳外接電容C3、6腳外接電阻R5用于設置內部振蕩器的振蕩頻率。TL494的PWM脈沖從第9腳、10腳輸出加到推挽放大電路的VT1和VT2的基極。正常工作時由TL494第9腳、10腳交替輸出脈沖寬度可控的PWM脈沖，去推動后級驅動電路，以實現由直流電變交流電的逆變轉換控制。第16腳外接電阻R8及內部電路組成保護電路，當16腳電壓高于5 V時，可通過內部電路減小輸出脈沖寬度或關斷輸出脈沖。

圖8 基于TL494構成的逆變器電路原理

5 LED驅動電路原理分析

LED燈驅動電路的作用是將220 V的交流電變為適合LED燈額定電壓要求的低壓直流電（恒定電流）給LED燈供電，從而點亮LED燈。萬能LED燈驅動電路原理如圖9所示。220 V交流電經保險和C1、R1阻容降壓電路降壓后，加到由D1～D4構成的橋式整流電路，經橋式整流后將交流電變為脈動直流電，再經電容濾波后變為穩定的直流電，最后經晶體管及其外圍電路進行穩壓恒流控制后，為LED燈供電[5]。改電路適應性好，可以根據LED燈所需的直流電壓自動調整晶體管C～E的管壓降，以滿足LED燈的不同電壓要求。

圖9 LED驅動電路原理

6 結 論

小型太陽能發電系統主要由太陽能電池板、蓄電池組、太陽能充電控制器、逆變器及交流或直流用電設備組成。太陽能電池板在陽光照射下，利用光伏效應將太陽輻射能直接轉換成電能。太陽能電池板產生的電能在太陽能充電控制器的控制下對蓄電池進行充電，蓄電池儲存的電能在太陽能控制器的控制下對直流負載供電。逆變器將蓄電池儲存的電能逆變為220 V的交流電給交流用電設備供電。太陽能充電控制器、逆變器、LED燈驅動器等器件的電路結構簡單、取材容易、電路安裝調試方便，自制成功率高。可根據不同的應用場景，選擇相應的太陽能電池板、蓄電池組、太陽能充電控制器以及逆變器等，以組建不同的太陽能發電系統。如可構成太陽能充電寶、太陽能照明燈及小型太陽能移動電源等。太陽能電池板、蓄電池組、太陽能充電控制器、逆變器和用電設備等的額定電壓、電池容量、額定功率等技術參數，是組建太陽能發電系統時應綜合考慮的關鍵技術參數。