【正文】 ....................... 29 展望 ............................................................................................................... 29 參考文獻 ...................................................................................................................... 31 致 謝 .......................................................................................................................... 32 附錄Ⅰ 源程序 ............................................................................................................. 33 附錄 Ⅱ 硬件電路圖 ...................................................................................................... 43 山東科技大學課程設計 1 1 緒論 課題研究 背景和 意義 能源資源是國民經濟發(fā)展的重要基礎之一，隨著人民生活水平的不斷提高和科學技術的迅速發(fā)展，能源的缺口增大，能源問 題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的一 大因素擺在了人們面前。 伴隨著世界能源危機的日益嚴重，石油價格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經 不能適應世界經濟快速增長的需要，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的問題。 同時，以煤、石油作為燃料在燃燒過程中產生的有害物質已經開始造成全球變暖，即“溫室效應 ，人類的生活將會由此受到很大的威脅。 這些難題 迫使政府和社會在發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。 新 能源包括水能、風能、太陽能等。雖然風能或水能等更加便宜，但是大多數的自家用戶卻都不可能找到適當場合進行架設， 架設成本較高。而太陽能則 不同，任何自家用戶只要找到一個有陽光照射到的窗戶都可以裝置太陽能極板作輔助能源，幾百元投資便可以架設。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專家也認為，太陽能將成為 21 世紀最重要 也 最有前景 的能源之一。 而且太陽輻射能與煤炭、石油等常規(guī)能源 相比較， 更有 如下的優(yōu)點： （ 1） 普遍性。 地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運輸 ，容易獲取 。 （ 2） 無害性。 利用太陽能作為能源，沒有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒有噪聲，不會污染環(huán)境，沒有公害 ，清潔干凈 。 （ 3） 長久性。 只要有太陽，就有太陽能 ，因此太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。 （ 4） 巨大性。 一年內到達地面 的太陽輻射能總量要比現在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。 我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽輻射總量 3340． 8400MJ／ m2，中值為 5852MJ／ m2。年日照時數在 2200 小時以上的地區(qū)約占國土面積的 2／ 3 以上。 我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內蒙古等省 ， 年日照時間長，這些地區(qū)面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區(qū)傳統(tǒng)的供電設施建設成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當地政府充分利用太陽能發(fā)電解決 無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。為了更高效的利用太陽能，白天 可 將太陽能轉化為電能，利用蓄電池將電能儲存起來，需要用電時即可由蓄電池供電。 總體看來我國太陽能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽能資源，采用太陽能光伏發(fā)電技術，可以節(jié)約能源，發(fā)展經濟，提高人民生活水平。 太陽能充放電控制器現狀 （ 1） 太陽能光伏發(fā)電 太陽能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢，所以世界各國都在努力研發(fā)新技術進行獲取，比較成熟的是太陽能光伏發(fā)電技術。太陽能光伏發(fā)電現已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認為是當前世界最有發(fā)展前 景的新能源技術。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣山東科技大學課程設計 2 泛應用于通訊，交通，電力等各個方面。 在進行太陽能光伏發(fā)電時，由于一般太陽能極板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接將太陽能極板應用于負載，需要將太陽能轉變?yōu)殡娔芎蟠鎯Φ揭欢ǖ膬δ茉O備中，如鉛酸蓄電池。但只有當太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中保持蓄電池沒有過充電，也 沒有過放電，才能使蓄電池的使用壽命延長，效率也得以提高，因此 必須 對工作過程加以研究 分析 而予以控制，這種情況下太陽能充電控制器應運而生。 （ 2）充電控制器的作用及現狀 太陽能充 電控制器具備充電控制、過充保護、過放保護、防反 接保護及短路保護等一系列功能，解決了這一難題，這樣控制器在這個過程中起著樞紐作用，它控制太陽能極板對蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長蓄電池的使用壽命。同時太陽能充放電控制器還控制蓄電池對負載的供電，保護蓄電池和負載電路，避免蓄電池發(fā)生過放現象，由此可見，控制器具有舉足輕重的作用。 市 目前 場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對于蓄電池的保護不夠充分，不合適的充放電方式容易導致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。 目前，控制器常用的蓄電池 充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。 但是這些方法由于 充電方式單一加上控制策略不夠完善 ，都存在一定的局限性 。 另一方面， 當蓄電池給負載供電時， 由于控制器不能 時刻檢測蓄電池 的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過放電，將會導致蓄電池的深度放電， 嚴重影響其壽命。 所以，如何改善太陽充控制器的充放電方式，開發(fā)性能優(yōu)良的 充放電 控制器，提高其在實際應用中的效率， 成為了一個重要的研究方面 。 設計主要任務 本設計研究確定了一種基于 STC 單片機的太陽能充放電控制器的方案，在太陽能對蓄電池的充電方式、控制器的功能要求和 電路保護 方面做了分析，完成了 系統(tǒng) 硬件電路設計和 軟件編程 ，實現了對蓄電池的科學管理，并將充 放 電控制器應用于太陽能路燈 或其他負載，實現了控制 功能。 這里以充 /放電最大電流 10A，額定電壓 12V 控制器系統(tǒng)為例， 其實現的主要功能如下。 （ 1） 要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池 電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成點亮損耗。 （ 2） 當蓄電池電壓低于 時，自動關斷負載（欠壓關斷），同時有報警功能； （ 3） 當蓄電池電壓高于 ，自 動關斷負載（過壓 關斷）和充電電路 ，同時有報警功能 。 （ 4）當蓄電池處于浮充充電狀態(tài) 時電壓值控制在 左右。 （ 5） 當用戶將太陽能電池板接反至控制器時， 具有保護控制器不被毀壞 的功能 ； （ 6） 當用戶將蓄電池接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被毀壞的功能。 山東科技大學課程設計 3 2 太陽能充電控制器的總體設計方案 在確定 設計 方案之前， 需要結合 應用實例，進行 一定的綜合分析， 更加 明確 控制器的作用 ，最后 來 確定 整體方案。 這里以太陽能充電控制器應用于太陽能 光伏發(fā)電路 燈系統(tǒng)為例，對 系統(tǒng) 各個組成部分的主要功能做詳細的分析說明。 太陽 能路燈系統(tǒng)基本結構 本系統(tǒng)主要針對直流 照明 路燈進行系統(tǒng)設計，所以構成太陽能路燈系統(tǒng)主要有四大部分組成，即太陽能極板、蓄電池、充電控制器、照明電路。太陽能路燈系統(tǒng)基本結構如圖21 所示。 太 陽 能 電 池 板 蓄 電 池 照 明 電 路充 電 控 制 器 圖 21 太陽能路燈系統(tǒng)基本結構 從圖 21 中可以看出，太陽能極板陣列將太陽能轉換為電能并將電能存儲到蓄電池中，蓄電池再將存儲的電能輸出給照明電路供電，完成能量的傳遞。系統(tǒng)各個部分的控制功能全由充電控制器來完成。 （ 1） 太陽能 電池板 如圖 22 所示，太陽能電池板 是利用半導體光伏效應制成的，能夠直接將太陽輻射轉換成電能的器件。 具有很強的光伏效應半導體材料，當吸收一定能量的光子后其內部導電的載流子 電子和空穴 分布和濃度發(fā)生變化。光照在半導體 P/N 結上， 就會在其兩端產生光生電壓， 當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。 在這個過程中，光電池本身不發(fā)生任何化學反應，也沒有轉動磨損，因此使用太陽能電池的過程中沒有噪聲，沒有環(huán)境污染，這是其他方式發(fā)電所不能比擬的。 山東科技大學課程設計 4 圖 22 太陽能電池產生光伏效應 （ 2） 蓄電池 這里首 先介紹 蓄電池工作原理 。 太陽能充電控制器最主要的功能是控制太陽能極板對蓄電池的充電，蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關系，所以在設計控制器之前需要對蓄電池的原理、充放電過程做一個分析。 一般鉛酸蓄電池是由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成，極板 主要有鉛制成 ，電解液是硫酸溶液。依據化學基礎理論：鉛酸蓄電池釋放化學能的過程 (放電過程 )是負極進行氧化，正極進行還原的過程；電池補充化學能的過程 (充電過程 )是負極進行還原，正極進行氧化的過程。分析可知，蓄電池的充電過程和放電過程是可逆的。實際上 ，蓄電池最重要的指標就是電解液中硫酸根的濃度，因此可以用電池中硫酸溶液的密度 (比重 )來衡量電池充放電的程度。 工作原理搞懂了之后，接著看蓄電池在整個系統(tǒng)中的 作用 。 在獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 中，蓄電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分，是對整個系統(tǒng)性能可靠性影響比較 大的部分。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用有：儲存能量、對太陽能極板的工作電壓的進行鉗位、 給負載 提供啟動電流等。蓄電池的存在，可以解決太陽能產生電能和負載用電時間不一致不同步的問題 ，太陽能極板和負載兩者之間電壓不匹配的問題等 。 （ 3） 充電控制器 一般太陽 能極板輸出電壓的不穩(wěn)定，不能直接應用于負載，需要將太陽能轉變?yōu)殡娔芎蟠鎯Φ絻δ茉O備如蓄電池中，而控制器在這個過程中起著樞紐作用 ， 其性能的好壞將會直接影響實際應用的使用效果。控制器控制太陽能極板對蓄電池的充電，為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電?？刂破魍瑫r負責蓄電池是否對負載供電，當蓄電池的電壓在正常范圍內時，控制器控制開關接通，蓄電池給負載供電；當蓄電池的電壓處于欠壓或是過放狀態(tài)時，控制器控制開關截止，蓄電池停止對負載的供電，在這個過程中控制器起著至關重要的作 用，保護負載和蓄電池。 充電控制器的 控制策略 作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部件，蓄電池的壽命短是阻礙整個光伏發(fā)電系統(tǒng)性能和推廣的主要原因之一。根據蓄電池的工作原理，結合實際應用情況，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素有：充電電壓的設置、過放控制點的設置、溫度、運行環(huán)境等。依據這些影響因素，分析蓄電池常見充放電方式局限性，對充放電方式進行了一定的改進。 （ 1） 蓄電池常規(guī)充放電方式 目前，控制器常規(guī) 的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。 恒流充電法是通過保持充電電流強度不變 進行充電的方法。這種充電控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產生氣體，使出氣過多，影響蓄電池的使用壽命。 第二種是 階段充電法 。 這種充電方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段充電山東科技大學課程設計 5 法是先用恒定電流充電至預定的電壓值，然后改為恒定電壓完成剩余的充電，一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓；三階段充電法是指在充電開始和結束時采用恒定的電流充電，中間用恒定的電壓進行充電。階段充電法這種方法雖然可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法 使用，實際應用中受到一定的限制。 恒壓充電時要嚴格掌握充電電壓，電壓在全部充電時間里保持恒定的數值，充電電壓過低，蓄電池會充不滿，過高則會造成過量充電。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少。這種充電方法在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，將會影響蓄電池的使用。 （ 2） 改進的充放電方式 針對目前市場上控制器的主要問題是由于對于 蓄電池的保護不夠充分，不合適的充電方式容易導致蓄電池的損壞，同時 通過對蓄電池的工作原理和對影響蓄電池使用壽命因素的 分析，本論文提出了 PWM (Pulse Width Modulation)脈寬調制充電方法。 PWM 是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，這也是蓄電池充電理論的進一步發(fā)展。 PWM 脈沖 調制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復。充電脈沖使 蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時