本設(shè)計采用太陽能不間斷式供電設(shè)備，其創(chuàng)新之處在于：

第一，采用簡單實用的電路實現(xiàn)步進充電方式，即在充足的太陽光下，一個蓄電池充電電流大于另一個蓄電池的充電電流，以實現(xiàn)先對一個蓄電池充電，充滿電荷后自動地再對下一個蓄電池進行充電，這相當(dāng)于兩個蓄電池輪流地被充電，這不僅充分利用了單位面積的太陽能，也大大新增了蓄電池的使用壽命，這樣在同等負荷的情況下，可降低對太陽能電池板功率的要求，從而降低了工程的造價；

第二，設(shè)計出一種太陽能與市電供電自動切換系統(tǒng)，以彌補數(shù)日綿綿陰雨太陽能供不上電的缺陷，做到不間斷式的居家供電目的。

一、設(shè)計原理及電路分析

電路由步進充電電路、太陽能供電與市電供電自動切換電路和路燈控制與照明電路三大部分組成，如下圖所示。該電路結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)涵豐富，電路工作穩(wěn)定可靠。

1．步進充電

電路如下圖所示，太陽能電池板的輸出引線從CK插座接入，依據(jù)I=(U-E1.2)／R1.2，其中I為各支路充電電流，U為太陽能電池板帶載輸出的端電壓，E1，E2分別為蓄電池El、E2上的電壓，在兩個蓄電池原始電壓相同的情況下，蓄電池El的充電電流I1是蓄電池E2的充電電流I2的10倍；顯然，El蓄電池的充電電壓的初始速度比蓄電池E2充電電壓的初始速度大得多，相當(dāng)于太陽能電池板先對蓄電池El進行充電，隨著充電過程的不斷出現(xiàn)，蓄電池El上的電壓也在不斷地新增，使得蓄電池El上的電壓逐漸趨于飽和，同時蓄電池E1的充電電流I1在逐漸地減少，當(dāng)蓄電池El上的電壓充到接近于額定值時，蓄電池El的充電電流I1也就趨近于零，此時可認(rèn)為蓄電池El的充電過程基本結(jié)束。

當(dāng)太陽能電池板對蓄電池El充電的同時也對蓄電池E2充電，只不過蓄電池E2電壓上升的速度比蓄電池El電壓上升的速度要慢得多，當(dāng)蓄電池El充電過程基本結(jié)束后，相當(dāng)于充電負載減輕，依據(jù)(U=E-I×r)，U為太陽能電池板帶載輸出的端電壓，E為太陽能電池板所供應(yīng)的電壓源電壓，I為回路充電的總電流，r為太陽能電池板的內(nèi)阻，此時太陽能電池板帶載輸出的端電壓U會回升，從而加快了太陽能電池板對E2的充電速度，即加快了蓄電池E2上的電荷的累積速度，當(dāng)歷經(jīng)r若干時間后，蓄電池E2上的電壓也充到接近于額定值時，蓄電池E2的充電電流I2也趨近于零；同理，此時也可認(rèn)為蓄電池E2的充電過程基本結(jié)束。當(dāng)兩個蓄電池充電過程基本結(jié)束后，此時若仍有太陽光存在，雖然說充電電流都趨近于零，當(dāng)仍有微小的充電電流在流動，充電過程仍在延續(xù)，只不過此時蓄電池上電荷累積的速度變得異常緩慢，其目的不僅不浪費資源，而且有利于延長蓄電池的使用壽命。

D1、D2是隔離二極管，其用途是阻止兩個蓄電池互相充電，形成不必要的內(nèi)耗、提高供電系統(tǒng)的效率。太陽能充電電路的等效圖如下圖所示，根據(jù)基爾霍夫定律，得出下列充電回路的電壓與電流方程如下式：

I=I1+I2(1)

I1=(E-E1-VD1-Ir)/(R1+r1)(2)

I2=(E-E2-VD2-Ir)/(R2+r2)(2)

其中I、I1、I2分別為太陽能電池板E充電回路的總電流、蓄電池El回路充電電流、蓄電池E2回路的充電電流，r、R1、r2分別為太陽能電池板、蓄電池El、蓄電池E2的內(nèi)阻，蓄電池的內(nèi)阻隨著電壓的升高而減少，R1、R2為充電回路的限流電阻，VD1、VD2為二極管D1、D2的正向壓降，設(shè)為0.7V，太陽能的峰值電壓取15.1V，無論是El還是E2，經(jīng)理論推算與實踐驗證獲悉，只要當(dāng)蓄電池上的電壓充到約13.8V時，該充電回路的電流急劇減少，且趨近于零；若El=13.8V，r=6Ω，r2取2Ω，則從上述方程可知：

經(jīng)計算后獲悉，當(dāng)E1充滿電荷后，E2才充到8.6V，隨著E2電壓的逐漸升高，充電電流I2在減少，同時又有微弱的Il充電電流在流動，這有利于延長蓄電池的使用壽命。但無論El、E2充電電壓如何的升高，根據(jù)式(2)、(3)式知，El、E2的電壓峰值都控制在14.4V內(nèi)。其理由緣至二極管D1、D2具有單向?qū)щ娦浴tIl=(E-El-VD1-Ir)≥0,12=(E-E2-VD2-Ir)≥0因此，El,E2≤15.1-0.7-I.r=14.4-I.r=14.4(V)由于14.4V為12V蓄電池極限所承受的電壓值，故有效地保護了蓄電池。

2．太陽能與市電供電自動切換電路

用CMOS反相器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如上圖所示，其電路的同相電壓傳輸特性如下圖所示，電路設(shè)計時參數(shù)設(shè)定：正向閥值VT+=7V，負向閥值VT=-3V，確定可變電阻器Rp1與電阻器R5的值。

從上式兩式解出Rp1/R5=2/5，V1H=SV，那么VDD取10V。

為保證G6輸出高電平時的負載電流不超過最大允許值IOHmax應(yīng)使(VOH-VTH)／R5(10-5)/1.3=3.85(kΩ)故取R5=20kΩ，Rp1=2.R5/5=8(kΩ)。實際取Rp1為15kΩ可調(diào)電位器。

當(dāng)有太陽光照的情況下，太陽能電池板對蓄電池進行充電，照明電路電源由蓄電池供給；當(dāng)持續(xù)數(shù)天陰雨綿綿時，無太陽光對蓄電池進行充電，蓄電池上的電荷逐漸被消耗掉，導(dǎo)致蓄電池的端電壓逐漸降低，引起非門電路c5的輸入端電壓降低，當(dāng)?shù)偷脚c負向閥值（VT_=3V）電壓相等時，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，G5輸出高電平，G6輸出低電平（同相輸出），經(jīng)G7倒相輸出高電平，單向可控硅VS1導(dǎo)通，220V市電電壓經(jīng)變壓器T降壓，二極管(D7～D10)整流、C5濾波后，再經(jīng)LM7809穩(wěn)壓，形成9V的直流電壓對照明電路進行供電。同時，造成二極管D3、D4反偏而截止，蓄電池El、E2向負載供電回路被切斷。

同理，當(dāng)陽光來臨時，蓄電池立即被充電，蓄電池上的電壓不斷的上升，當(dāng)升到11V時，即G1輸入端的電壓與正向閥值(VTF7V)相同，施密特觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，單向可控硅VS1截止，市電被切斷，供電電路轉(zhuǎn)而由蓄電池供應(yīng)。如此，周而復(fù)始地進行著，構(gòu)成了以太陽能為主，市電為輔的居家不間斷式供電系統(tǒng)。

3．路燈控制與照明電路

白天，光敏電阻受到光照而使電阻變小，與非門電路C1輸入端為低電平，經(jīng)兩次（與非）倒相后，C2輸出端為低電平，D6截止，C3輸入端為低電平，再經(jīng)兩次（與非）倒相后，G4輸出端亦為低電平，單向可控硅VS2截止，燈HL1熄滅。

夜晚，光敏電阻RG未受到光照而阻值變大，但由于三極管BG在本電路所設(shè)置的參數(shù)下，是處于導(dǎo)通狀態(tài)，三極管BG集電極（G1輸入端）仍處于低電平，單向可控硅VS2仍處于截止?fàn)顟B(tài)，燈HL1熄滅；當(dāng)有人觸摸Tp觸點或說話時，人體感應(yīng)的信號或音頻信號經(jīng)三極管BG放大后，在R10上形成信號電壓，導(dǎo)致瞬間三極管集電極為高電平，同理，經(jīng)兩次（與非）倒相后，G2輸出端為高電平，D6導(dǎo)通，對C3充電，G3輸入端為高電平，再經(jīng)兩次（與非）倒相后，G4輸出端亦為高電平，單向可控硅VS2導(dǎo)通，燈HL1被點亮。當(dāng)人體觸摸Tp觸點動作或說話聲音過后，三極管BG集電極（G1輸入端）恢復(fù)到低電平，C2輸出端亦為低電平，電容C3對R1l放電，當(dāng)C3的電壓放電到低電平值時，G3、CA與非門狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，單向可控硅VS2截止，燈HL1才熄滅（按圖1中所示，電路中所標(biāo)元器件的參數(shù)值，燈點亮持續(xù)時間約2.5min）。

室內(nèi)照明電路，開關(guān)(SW1、SW2、SW3)，Xl’(HL2、HL3、KIA)構(gòu)成室內(nèi)照明電路，人們可通過控制開關(guān)的通與斷，來實現(xiàn)電燈的亮與暗。

二、電路調(diào)整

本電路結(jié)構(gòu)簡單，無需太多的調(diào)整就可實現(xiàn)。但有一點需提醒的是，何時由蓄電池供電，何時由市電供電，這應(yīng)由太陽能電池板、蓄電池的容量等綜合因數(shù)來決定。本電路電源電壓VDD是隨著蓄電池上電壓等變化而變化。因此，還必須通過調(diào)整可變電阻器Rp1及電阻R4的阻值，使得蓄電池上的電壓當(dāng)?shù)陀?.5V時，轉(zhuǎn)為市電供電；當(dāng)高于11V時，又轉(zhuǎn)為蓄電池供電。

三、元器件選擇

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出。豐富的太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達8×l05kW，假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，且轉(zhuǎn)化率只有5%，那么，每年發(fā)電量可達5.6×1012kW．h，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因此，研究和利用太陽能意義重大，但由于目前太陽能的利用還未普及，關(guān)鍵部件還比較昂貴，因此如何根據(jù)性價比指標(biāo)，合理的選擇零部件顯得尤其重要。

太陽能電池板與蓄電池的選取：

選一塊多晶硅電池的組件，最大的輸出功率pm（額定功率）為50W，峰值電壓(額定電壓)Ump為15V．峰值電流（額定電流）為3A，若某地區(qū)有效光照時間h為12h，太陽能電池的發(fā)電效率為：u=0.7，蓄電池的補償值為n=1.4，計算太陽能電池一天的發(fā)電量和所需蓄電池的容量。

那么，太陽能電池的日發(fā)電量：M=pmxh×u=50×12×0.7=420(W.h)日電量等于輸出電流與有效光照時間的乘積，即：

C=I×H(Ah)oC=ph/U=50×12/15=40(Ah)蓄電池電壓的選取：目前生產(chǎn)太陽能電池產(chǎn)品種類和規(guī)格很多，關(guān)于蓄電池來講一般有6V、12V、24V的。那么如何將太陽能電池和蓄電池配接起來？通常來說太陽能電池的額定輸出電壓是蓄電池電壓的1.25～1.5倍，這是因為蓄電池的充電效率決定的，因為太陽能電池的充電，不像使用市電給蓄電池充電相同有較大的選擇余地，況且它在給蓄電池充電的時候功率波動比較大，這要先考慮太陽能電池的成本問題。假如蓄電池的充電補償值定位1.4倍，那么一個額定12V電壓的蓄電池應(yīng)當(dāng)選配的太陽能電池的電壓為：12V×(1.25~1.5)=15~18V左右的太陽能電池。

實際蓄電池的有效容量要在C=40/1.40≈28.6(Ah)以上，考慮到要保證夏天持續(xù)數(shù)日強日照，太陽能充電系統(tǒng)能安全使用，故選用太陽能專用蓄電池其型號為：

E1,12V/36Ah;E2，12V/24Ah鉛封鉛酸密封電池各一個。

本電路太陽能電池板選用：50W多晶硅，鋼化玻璃封裝，戶外使用，25年壽命，其外形圖如下圖所示，參數(shù)如下表所示。

輸出設(shè)備選用：低壓電子節(jié)能燈，啟動電壓低至8V;發(fā)光效率高，啟動快，無頻閃現(xiàn)象；平均壽命長達5000h，標(biāo)稱值：9V/7W節(jié)能燈四個。

系統(tǒng)功能：正常充電情況下，每日充電量能保證兩只9V/7W直流節(jié)能燈持續(xù)使用12h左右，可供居家持續(xù)陰雨3~4d正常使用。

集成電路：G1~04選用四個2輸入與非門74LS00，其外引線排列圖如上圖(略)所示；C5、C6、C7選用CC4069CMOS六反向器，其外引線排列圖如下圖(略)所示。

本電路電源所供應(yīng)的vcc電壓是從8.5~14V，為r使集成塊在低電壓下能工作，在高電壓。F工作又不至于損壞，經(jīng)估算和相關(guān)經(jīng)驗值知74LS00VCC與電源(D3、D4負端)之間要串接一個1kΩ的限流電阻，CC4069VCC與電源(D3、D4負端)之間要串接一個270n的限流電阻。

D1、D2為隔離二極管，選用1N4001，若本地區(qū)光照不是很足，也可選用太陽能電池板專用肖特基隔離二極管，其最大反向電壓為40V時，正向壓降僅為0.2V。

光敏電阻RC，選用2CUZB型。

單向可控硅VS1、VS2，選用1A/100V。

四、太陽能電池板的安裝

太陽能電池板可安裝在陽臺、屋頂和空曠的草坪L。在安裝時，應(yīng)嚴(yán)格按產(chǎn)品說明書所規(guī)定的技術(shù)規(guī)范進行安裝、所有的緊固件都必須要裝牢外，還得要做好防雷裝置的安裝，若太陽能電池板安裝在屋頂或空曠的草坪上，應(yīng)安裝一個避雷針（若太陽能電池板已處在高層建筑物現(xiàn)有避雷針下述1點的保護網(wǎng)范圍內(nèi)，可不必另行安裝），安裝時要做到以下幾點：

①避雷針的保護范圍是個圓錐體，圓錐的頂點是避雷針的最高點，圓錐的母線與避雷；針的夾角理論上是45度，但為了保險起見，保護范圍其夾角相關(guān)經(jīng)驗值一般選取37。

②避雷針應(yīng)安裝在太陽能電池板的背光面；

③避雷針與太陽能電池板最近的構(gòu)件之間的距離應(yīng)等于或大于3m；

④避雷針的接地可與現(xiàn)有建筑物可靠的接地網(wǎng)焊牢在一起，也可重新按規(guī)范進行埋設(shè)；

⑤避雷針的設(shè)計與制作應(yīng)符合GB50057-94建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（2000年版）的要求。