制作太阳能风扇的最简单方法是将太阳能光伏电池板连接到具有匹配电压和额定功率的直流风扇。这种简单的安排确实有效，但几乎没有严重的缺点：
市场上还有其他设计。这些系统使用太阳能电池板和电池。太阳能电池板为电池充电。用户可以随时使用电池供电运行风扇。即使这工作正常，也有局限性。用户可以运行风扇几个小时，直到电池耗尽。由于所有电力都通过电池传输，因此电池会经历大量的充电/放电循环。这限制了电池的寿命。除此之外，电池在充电和放电过程中也会有损耗。 这里提出了一种新的设计，它以恒定的速度运行风扇。这种方法背后的概念是利用光伏面板产生的所有电力来运行风扇。然后从电池注入足够的电力，让风扇以接近恒定的速度运行。在白天，我们只从电池中汲取一小部分电力。如果是晴天，电池的电量几乎为零。这增加了电池的寿命。此外，电池中的充电/放电损失也减少了。这种方法的另一个好处是光伏面板在最大功率点附近运行，从而最大限度地提高光伏发电量。该目标已在不使用复杂开关电路的情况下实现。请注意，电池的功率消耗会根据瞬时 PV 功率动态变化。 拟议解决方案的布局 图 1显示了建议的太阳能风扇的框图。它由连接到电流限制器的太阳能光伏电池板组成。限流器输出连接到 LED。电流流过 LED，然后流向 FAN+ 端子。限流器确保风扇电流不超过额定值。电池还通过电阻器 (R) 和二极管 (D) 连接到 FAN+ 端子。欠压跳闸电路用于在电池完全放电时关闭风扇。 图 1具有动态电池备份系统的太阳能风扇框图。 一个两极双向开关 (SW1-SW2) 用于在不需要时关闭风扇。在风扇关闭状态下，开关通过太阳能充电控制器将电池连接到光伏板。太阳能充电控制器为电池充电并防止过度充电。此类控制器可作为现成的解决方案使用。 请注意，LED 是为了电压匹配而引入的，特别是针对本文中介绍的设计。对于太阳能风扇来说，这个 LED 并不是必不可少的。设计部分提供了有关如何消除此 LED 的说明。 如框图所示，有两个电源为风扇供电。一种是通过二极管 (D) 以相当恒定的电压供电的电池。该二极管阻止光伏电流进入电池端子。另一种是光伏面板，它提供电压变化很大的电力。 光伏板实际上充当电流源。因此，如果光伏电流没有找到路径，那么面板电压会继续增加，直到电流注入电路。在此设计中，它必须克服 FAN+ 端子处的电池电压。当面板电流进入 FAN+ 端子时，电池电流会减少这么多。因此，所有可用的 PV 功率都提供给 FAN。尽管如此，如果风扇速度低于设计值，则从电池中汲取一些电流以达到设计速度。电阻 (R) 通过增加总电池电路电阻（电池内阻 + R）来帮助推回电池电流。 建议解决方案的设计 图2显示了太阳能风扇的电路图。
图2带有动态电池备份系统的太阳能风扇电路图。 主要部件规格如下：
如电路图所示，PV+端通过开关SW1与限流电路相连。限流器由两个 PNP 晶体管组成：T1 (BC556) 和 T2 (TIP32)。T2 使用电阻器 R2 (2.2 kΩ) 正向偏置。当电阻 R1 上的压降超过 0.6 V 时，T1 开启并限制 T2 中的电流。请注意，与 R2 串联的橙色 LED4 用于指示 PV 电压的存在。 用您独特的设计惊艳工程世界： 设计理念提交指南 限流器的输出通过三个并联的白色 LED（LED1 到 LED3）连接到风扇。这些 LED 在这里用于电压匹配目的。风扇和电池的额定电压均为 12 V。但是，在所有阳光条件下，T2 集电极的电压都保持在 15 V 左右。LED 下降 3 伏，因此风扇从光伏面板获得约 12 伏。每个风扇的额定电流为 0.2 A。因此，为了匹配 PV 板的最大电流（0.58 A），三个风扇并联连接。如果我们有一个额定电流为 0.6 A 的风扇，那么单个风扇就足够了。 请注意，建议的电路是使用容易获得的组件设计的。如果我们不得不取消串联 LED，那么我们将不得不使用 15 V 电池（例如，可以使用额定值为 14.8 V 的锂离子电池）。此外，我们必须使用设计为在 15 V 下运行的风扇。可提供额定电压为 18 V 的风扇。这些可以在 15 V 下运行，空气流量略有减少。或者，可以串联三个 5 V 风扇。 电池还通过保险丝 (1A)、肖特基二极管 D1 (1N5822) 和电阻 R3 (1Ω) 连接到 FAN+ 端子。p 沟道 MOSFET T3 (IRF9540) 也串联。该 MOSFET (T3) 与比较器电路一起用于在电池完全放电时断开风扇。 R3的目的是增加电池电路的源极电阻。这将允许光伏侧更有效地推回电池功率，这有助于最大限度地利用光伏功率。R3 的值应尽可能小，以减少功率损耗。 SW1 和 SW2 的其他端子用于在风扇关闭时将太阳能充电控制器连接到电池。太阳能充电控制器在跟踪最大功率点的同时为电池充电。当电池充满电时，充电停止。 电池欠压保护电路的电路图如图3所示。它使用比较器 IC1 (LM311)。5.1 V 的参考电压连接到非反相输入 (Pin2)。在反相输入 (Pin3) 上，连接了由 R12 (47 kΩ)、R13 POT (50 kΩ) 和 R14 (47 kΩ) 组成的分压电路。POT 用于设置反相输入端的跳闸电压。 在比较器的输出引脚 7 处，连接了电阻器 R15 (2.2 kΩ)、R16 (1 kΩ) 和绿色 LED5。R15 的端子连接到 T3 的源极和栅极端子。电阻 R17 (100 kΩ) 用于引入滞后。
图 3用于电池欠压跳闸的比较器电路图。 当电池充电时，比较器的输出为低电平。R15 上的压降大于 MOSFET 的栅极源极阈值电压。因此 T3 为 ON。当电池电压低于触发电压时，比较器输出变为高电平。R15 上的压降变为零，MOSFET 关闭。LED5 也关闭以指示电池已放电。 测试电路 首先，通过拆下保险丝，在电池关闭的情况下测试电路。在不同的日照强度下，记录下 PV 电压 (Vpv)、PV 电流和风扇电压。图 4显示了风扇功率与 Vpv 的关系图。观察到 PV 电压从大约 8 伏到 19 伏不等。低于 8 伏，风扇停止转动。风扇功率从 1 W 到 6 W 不等。这会在风扇的气流中产生非常大的变化。
图 4在没有备用电池的情况下向风扇供电的 PV 功率图。 图 5显示了电池开启时的风扇功率曲线。观察到 Vpv 变化被限制在 14.7 V 到 18.7 V 的范围内。这表明电路非常接近地跟踪 PV 面板的最大功率点。蓝色迹线是光伏面板提供给风扇的电源。14.7 V 的风扇 PV 功率约为 2.5 W。与电池关闭时的最低功率 1 W 相比，这是显着的改进（参见图 4）。因此，电池的存在提高了面板产生的功率。 图 5 中的橙色迹线是提供给风扇的 PV 功率和从电池汲取的功率之和。这条曲线几乎是平坦的，在整个范围内变化约为 1 W。因此，即使 Vpv 从 14.7 V 变化到 18.7 V，风扇也以几乎恒定的速度运行。
图 5使用动态备用电池的 PV 功率和风扇总功率图。 图 6显示了电池为风扇提供的电源。当光伏功率最小时，电池提供最大功率。随着风扇的光伏功率增加，电池的功率消耗减少。在全 PV 功率输出时，从电池汲取的功率非常小。
图 6随着 PV 电压的变化，电池的功率消耗。 制造 图 7显示了组装在 PCB 上的限流器电路和欠压跳闸电路。晶体管 T2 和 MOSFET T3 安装在散热器上。因此，T2 工作在有源区，T2 的散热量更高。因此，使用了更大的散热器。当 T3 导通时，它有少量的导通损耗。因此，一个小的散热器就足够了。
图 7带有电流限制电路和电池欠压跳闸电路的 PCB。 图 8显示了完全组装的建议太阳能风扇系统。LED1 到 LED3 安装在金属覆层 PCB 上。这个 MCPCB 安装在一个小的铝通道上。铝通道用作散热器。LED、太阳能充电控制器、开关、保险丝和 SLA 电池安装在电木面板上。 三个风扇和控制器 PCB 安装在两个小的铝通道上。通过焊接在 PCB 上的端子条与 PCB 进行互连。
图 8完全集成的太阳能风扇系统以及太阳能充电控制器。 应用 所提出的系统可用于离网应用。离网系统的好处如下：
最后，该系统以风扇负载为例进行设计。但是，相同的方法可用于其他类型的负载（例如灯负载、加热器负载、移动和电动汽车充电器等）。 结论 根据图表中显示的结果，可以将来自两个不同来源的电力注入风扇。PV 面板充当电流源并动态控制从电池汲取的功率。因此，当光伏面板的输出波动很大时，我们可以在不使用复杂开关电路的情况下以恒定速度运行风扇。任何给定时刻的所有可用光伏功率都直接馈送到风扇。仅从电池中提取平衡功率，从而提高电池寿命。同时，在一定程度上减少了电池在充放电过程中的能量损失。 所提出的设计可以很容易地扩大到更高功率的系统。如今，可以使用 BLDC 吊扇。建议的电路可以很好地匹配需要备用电池的安装中的 BLDC 吊扇。 为了获得更好的性能，必须将电路中的功率损耗保持在尽可能低的水平。特别是在电阻器R3和二极管D1中。如有必要，可以并联多个二极管以减少单个二极管中的电流。这将在一定程度上降低正向压降。 |
