能源是人類社會存在和發展的重要物質基礎。目前的世界能源以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主體。而化石能源是不可再生的資源，并且在生產和消費過程中產生大量污染物，破壞生態環境。
通過太陽能電池將資源無限、清潔干凈的太陽輻射能轉化為電能的太陽能光伏發電，是新能源和可再生能源家族中的重要成員之一。
1 太陽能電池的基本原理及伏安特性
當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流，這種現象稱為光生伏打效應。該效應在液態和固態物質中都會發生。但只有在固體中，尤其是在半導體中，才會有較高的轉換效率。
太陽能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉換為電能的器件，當太陽光照射到半導體P-N結時，就會在P-N結兩邊產生電壓，使P-N結短路，從而產生電流。這個電流隨著光強度的加大而增大，當接受的光強度達到一定數量時，就可以將太陽能電池看成恒流電源。
對于太陽能電池方陣而言，應按照用戶的要求、負載的用電量及技術條件確定太陽能電池組件的串并聯數。串聯數由太陽能電池方陣的工作電壓決定，應考慮蓄電池的均浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對太陽能電池的影響。蓄電池的容量決定其最大充電電流，該數值再結合負載電流，可決定太陽能電池并聯數。
太陽能電池的輸出特性圖如圖1所示，太陽能電池的輸出伏安特性曲線是進行系統分析的最重要的技術數據之一。從圖1中可以看出，太陽能電池的伏安特性具有強烈的非線性。
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圖1 太陽能電池輸出特性
在光伏系統中，負載的匹配特性決定了系統的工作特性和太陽電池的有效利用率。要想在太陽電池供電系統中得到最大功率，必須跟蹤日照強度和環境溫度條件，不斷改變其負載阻抗的大小，從而達到陣列與負載的最佳匹配，該方法被稱為最大功率點跟蹤淵MPPT冤法。
2 小功率太陽能控制器
圖2為小功率太陽能控制器電路結構圖，蓄電池和太陽能電池陣列直接耦合， 當白天有陽光時，太陽能電池陣列向蓄電池充電，當夜晚或陰天陽光不足時，蓄電池放電，保證負載不停電。
圖2 小功率太陽能控制器電路結構
對于小功率太陽能控制器而言，為節約成本，常用的控制方式為恒定電壓跟蹤淵CVT冤法，即通過合理選擇太陽電池的串并聯數，使陣列在最大功率點附近的運行電壓近似于蓄電池的端電壓，即可獲得蓄電池和太陽電池方陣之間的電壓最佳匹配。
3 24V/5A太陽能控制器電路分析
圖3為24V/5A太陽能控制器主回路電路圖。該控制器采用單路旁路型充放電控制器形式，即MOSFET管S1并聯在太陽能電池陣列的輸出端，當蓄電池端電壓充到均充電壓值時，S1進入脈寬調制狀態，避免蓄電池過充。
圖3中Vin+和Vin-連接太陽能電池陣列的輸出，Vout+和Vout-連接直流負載，VB和GND連接鉛酸蓄電池的正負兩端。
圖3 太陽能控制器主回路電路圖
D1為“防反充二極管”，只有當太陽能電池方陣輸出電壓高于蓄電池電壓時，D1才能導通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天時不會出現蓄電池向太陽能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護”作用。
D2為“防反接二極管”，當蓄電池極性接反時，D2導通，使蓄電池通過D2短路放電，產生很大電流，快速使保險絲F1燒斷，起到“防蓄電池反接保護”作用。
MOSFET管S2為蓄電池放電開關，在鉛酸蓄電池放電時，從保護蓄電池的角度出發，當蓄電池電壓小于“過放電壓”時，S2截止，切斷蓄電池和負載的回路，進行“過放電保護”，避免電池放空，損壞蓄電池。當太陽能電池陣列重新供電，只有當蓄電池電壓重新升到浮充電壓時，S2才重新導通，接通負載回路。
需要指出的是，當控制電路切斷負載回路后，控制電路仍然要消耗蓄電池能量，因此控制電路要盡量減少電子元器件以降低功耗。出于此目的，該電路采用PHILIPS公司的單片機P87LPC767作為CPU。該單片機是20引腳封裝的單片機，基本結構與51系列兼容，適合于許多要求高密度、低成本的場合。其內含4KB的OTP程序存儲器和128B的RAM，并且內置4路8位A/D轉換器。尤其是工作在100kHz耀4MHz，電源電壓為3.3V時，其功耗電流僅為0.044耀1.7mA，非常適合蓄電池供電的系統。
受體積和成本的限制，以單片機為核心的控制電路電源直接通過蓄電池端電壓變換得來，該電路通過圖4中的LM317三端可調穩壓器變換出單片機的電源電壓，控制電路與主回路共地。
圖4 單片機電源變換電路
LM317為三端可調正壓穩壓器，其輸出電壓范圍為1.25耀37V，只需2個外接電阻即可設置輸出電壓。LM317的輸出端Vout和調整端adj之間提供1.25V的基準電壓VREF，輸出電壓滿足式（1）。
由于LM317的輸入和輸出電壓差為40V，而對于24V的太陽能控制器，太陽能電池陣列的開路電壓有可能達到50V，為避免瞬間過壓，在LM317輸入端并接穩壓管D13進行保護。
圖5為單片機P87LPC767的管腳連接圖。電路中單片機的主要功能就是測量蓄電池端電壓，進而控制S1和S2的導通狀況，保證電路的穩定運行。由于P87LPC767自帶8位AD，單片機又與主回路共地，因此采用直接電阻分壓測量即可，即電路圖5中的VAD1。
圖5 P87LPC767管腳連接圖
當該控制器負載為路燈時，應具備光控功能，即有太陽光時，S2截止曰夜晚或陰雨天光線不足時，S2導通，路燈照明。由于光線不足時，太陽能電池陣列的輸出電壓下降顯著，因此可通過對其輸出電壓進行分壓測量（VAD2），判斷光線情況，作為S2導通和截止的一個判斷依據。
P87LPC767使用P1.7（Fzs）和P1.6（PWM）作為兩個MOSFET的柵極控制信號。以S1的控制為例，當P1.6輸出高電平時，MOS管S1導通，S1柵極驅動信號vgs1被拉低，S1截止。如圖6所示。由于MOSFET的柵極驅動電壓不能超過20V，因此當P1.6輸出為低電平時，V5截止，蓄電池電壓經R9和R13分壓后產生S1的驅動信號。S1和S2在主回路中的連接方法可解決其驅動共地問題。
圖6 MOSFET的驅動電路
圖6 MOSFET的驅動電路，控制器還配置了蓄電池放電容量指示燈，如圖7所示。4個發光二極管分別對應蓄電池容量的100%、75%、50%和25%。P87LPC767測量蓄電池端電壓后，根據其數值決定4個發光二極管的亮滅情況。需要指出的是，當蓄電池充電時，其端電壓與容量沒有直接關系，發光二極管的指示沒有實際意義，只有當蓄電池放電時，其端電壓可以在一定程度上反映電池容量。
圖7 蓄電池容量指示驅動電路
4 結語
提供了一套24V/5A太陽能控制器電路，其成本低廉且性能穩定，具備廣泛推廣的價值。