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基于太阳能交互式喷泉系统设计 设计者：霍建文1 向俊杰1 邓龙1 文波1 梁美珍2 谢嗣超1 王君玲1 指导老师：任立学 （1 西南科技大学国防科技学院 2 西南科技大学法学院） 摘 要：系统采用太阳能光伏发电为大功率水泵、直流电机等负载提供能源，以MSP系列430F149为控制器，采用人机交换的模式控制直流电机使喷泉喷头向各个方向转动，彩色LED灯的照射，从而使喷泉喷出不同的图样达到观赏性和娱乐性。系统主要包括太阳能电池方阵模块、充电蓄能模块、TL494逆变器模块、负载模块、控制模块、电压检测与报警模块、按键输入与显示模块、机械模块。整个系统的电路结构简单，可靠性好，而且具有较高操作性和经济价值。 关键词：光伏发电 控制器 人机交换 模块化 喷泉 彩色LED 研制背景及意义 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点近几年，国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量超过60兆瓦，电池转换效率提高到15％以上，系统造价；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大无刷磁力驱动太阳能喷泉泵优点体积小效率高，功耗低噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。MSP系列430F149单片机控制电压检测电路对蓄电池、太阳能电池的电压进行检测，并将检测数据反馈给单片机进行处理，然后由单片机根据所得数据进行充电和报警处理，防止蓄电池过充过；并且单片机对按键模块的输入进行实时的检测同时显示出来，通过对人们输入数据的分析，控制水泵模块中的各个喷头进行相应的动作，让喷头喷出你所设计的形状。 该系统控制灵活，操作简单，可以给你思想上的灵感与视觉上的冲击。简单的系统框图如1所示： 2.1.1 太阳能电池方阵模块 以四川绵阳为例，设计太阳能光伏发电容量50 kWp，其对电池方阵的选择如下：日本京瓷公司生产的KD135GH-2P 型多晶硅太阳电池组件，每块面积约为1 m2，大约7～8 m2可以组成1 kWp，其组件基本参数如表1。 图1 系统结构示意图 型号 KD135GH-2P 备注 峰值发电功率（wp） 135 数值在光强1 KW/m2，空气分散系数1.5，芯片温度25C0条件下 功率误差范围(%) -5 — +5 最大工作电压（v） 17.7 最大工作电流（A） 7.63 开路电压（V） 22.1 开路电流（A） 8.37 长（mm） 1500 宽（mm） 668 厚（mm） 36 重量（Kg） 13 表1 多晶硅太阳能电测组建基本参数 2.1.2充电蓄能模块 1）DC-DC变换器 由于四川绵阳日照强度、环境及负荷的变化，太阳能电池板输出的直流电压不稳定，容易造成低电压得不到很好的利用及控制器的调节难度大。因此，系统设计了Boost DC-DC变换器进行稳压。 Boost DC-DC变换器通过控制开关管T的导通和关断时间，配合电感、电容等元件以连续改变和控制输出直流电压。经过控制器进行电压及电流调节，以对蓄电池进行充电。其原理如图2所示： 图2 Boost DC-DC 变换器原理图 2）防反冲二极管 在光照不足的情况下，太阳能电池板输出电压低于蓄电池电压，因此需要一个二极管来以防止蓄电池向太阳能电池进行反相充电。为了降低其功耗，故选用压降较小的肖特基二极管1N5819。 3）蓄电池的选择 设计时考虑到普通铅酸蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，比能低、环境污染大、使用寿命短和日常维护频繁，而镍镉蓄电池，在充放电时，阴极会长出镉的针状结晶，有时会穿透分隔物而引起内部枝状晶体式的短路，充放电10 次左右就会产生记忆效应，而且污染环境。根据性价比及产品对环境的影响等因素考虑选择免维护铅酸蓄电池，因为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。根据蓄电池的不同充电状态来选择MPPT充电，恒压（CV) 充电和浮充(VF)。 2．1．3逆变器模块 由于公园或娱乐场所的喷泉喷水头至少有10个，需要一个大功率水泵来提供喷水量或者是每个喷头自带一个小功率水泵。从经济、使用、可控性角度考虑，设计采用大功率交流供电的抽水泵。由于太阳能电池输出的直流，给水泵提供交流电，则需要把12V的直流转变成220V的交流。设计时考虑到经济成本和效率等问题，因此选择江苏艾索新能源股份有限公司销售TL系列太阳能光伏逆变器最大效率可达到97.6% 图3 TL494逆变器电路图 2．1．4负载模块 1）彩灯负载 设计选用功率3