【正文】 太陽(yáng)能光伏照明控制系統(tǒng)的硬件電路項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 概述傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，嚴(yán)重的環(huán)境污染制約了世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn)略物資，化石能源儲(chǔ)量的有限性是發(fā)展可再生能源的主要因素之一。根據(jù)世界能源權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲(chǔ)量以及開采速度來計(jì)算，全球石油剩余可采年限僅有41 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限為15 年； 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限30 年；煤炭剩余可采年限230 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限81 年；鈾剩余可采年限71 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限為50 年。太陽(yáng)能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生能源，因此，世界各國(guó)都把太陽(yáng)能光伏發(fā)電的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展方向，制定了相應(yīng)的導(dǎo)向政策。在光伏發(fā)電的歷史上，最早規(guī)?；茝V的是日本，而后是德國(guó)，再發(fā)展到現(xiàn)在大力推廣的包括美國(guó)、西班牙、意大利、挪威、澳大利亞、韓國(guó)、印度等超過40個(gè)國(guó)家與地區(qū)，如日本“新陽(yáng)光計(jì)劃”、歐盟“可再生能源白皮書”，以及美國(guó)國(guó)家光伏發(fā)展計(jì)劃、百萬太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃、光伏先鋒計(jì)劃等的相繼推出，成為近年來推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主要?jiǎng)恿?。根?jù)歐盟的預(yù)測(cè)：到2030年太陽(yáng)能發(fā)電將占總能耗10%以上，到2050年太陽(yáng)能發(fā)電將占總能耗20%。 光伏照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1 1 光伏系統(tǒng)組成框圖太陽(yáng)能電池控制器蓄電池DC負(fù)載光伏照明系統(tǒng)主要由五大部分組成，即太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器、照明電路、負(fù)載，如下圖11所示。在系統(tǒng)中，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它控制蓄電池的充電及蓄電池對(duì)負(fù)載的供電，對(duì)蓄電池性能、使用壽命有非常大的影響。目前，光伏系統(tǒng)主要由于控制器控制蓄電池充電方式不合理，降低了蓄電池壽命而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)可靠性不高，因此，在控制器的設(shè)計(jì)中采用什么樣的充電方式非常關(guān)鍵。 目前市場(chǎng)上的光伏控制器還存在著許多的不足之處，比如：系統(tǒng)的配置、控制精準(zhǔn)度不夠高，系統(tǒng)的使用壽命、陰雨天的工作時(shí)間等。因此，改善太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)性能優(yōu)良的太陽(yáng)能控制器也成為重要的研究課題。 本文的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計(jì)了一種光伏照明控制系統(tǒng)，針對(duì)目前光伏控制系統(tǒng)控制器未能充分利用太陽(yáng)能電池，對(duì)蓄電池的保護(hù)不夠充分、蓄電池的壽命縮短這種狀況，研究設(shè)計(jì)了一種基于ATmega48單片機(jī)的光伏控制器。本文在太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電方式及蓄電池對(duì)負(fù)載的供電方面做了分析，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件主程序的設(shè)計(jì)，結(jié)合PWM充電控制法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池充放電的管理，以滿足本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能。本論文由以下四部分組成：第一部分是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，先通過對(duì)常用幾種充電方法的比較，從而確定本系統(tǒng)采用的是PWM充電控制法，基于此種充電方法設(shè)計(jì)出光伏控制系統(tǒng)的總體方案。第二部分簡(jiǎn)單介紹了電池組的基本情況，包括蓄電池的結(jié)構(gòu)和鉛酸蓄電池的工作原理，以及根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與自然條件選擇合適的太陽(yáng)能電池板。第三部分是本論文的核心內(nèi)容，介紹了光伏系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了充放電電路以及檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。第四部分闡述本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，主要介紹了系統(tǒng)軟件的主程序流程。 第2章 光伏照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 充電方法的選擇圖2 1 最佳充電曲線一般情況下，充電電流的安培數(shù)不應(yīng)超過蓄電池待充電的安培時(shí)數(shù)。常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和產(chǎn)生的氣體量所限制。以上兩點(diǎn)對(duì)于為蓄電池選擇合適的充電方法有著重要的意義。 恒流充電法恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法。恒流充電電路如圖22所示?？刂品椒ê?jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，一般情況下不選用此方法。圖2 2 恒流充電電路圖2 3 恒流充電曲線 階段充電法，如圖24所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。圖2 4 二階段法曲線，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。 恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電, 如圖26所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。圖2 5 恒壓充電電路圖2 6 恒壓充電曲線 脈沖式充電法（PWM充電控制法）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，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖27所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。[3]圖2 7 脈沖式充電曲線表2 1 對(duì)上述幾種充電方法的比較充電方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)恒流充電法可以任意選擇和調(diào)整充電電流，特別適合蓄電池容量恢復(fù)的小電流長(zhǎng)時(shí)間充電初始充電電流過小，充電后期電流又過大充電時(shí)間長(zhǎng)、析出氣體多、對(duì)極板的沖擊較大、能耗較高、效電率較低，充電時(shí)間長(zhǎng)階段充電法產(chǎn)生氣體少，較其他兩種方法充電快不易控制，前后兩段都包括恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)恒壓充電法接近最佳曲線，電解水少，避免了蓄電池過充，控制裝置簡(jiǎn)單充電初期電流過大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢脈沖式充電法充電過程不產(chǎn)生大量，且不熱，從而可大量縮短充電時(shí)間快速充電轉(zhuǎn)換效率低，易造成極板的活性物質(zhì)脫落通過幾種蓄電池充電方法的分析，可知，脈沖式充電法（PWM充電控制法），有其它充電方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。所以采用PWM充電控制法，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏照明智能控制器。該控制器提高了充電效率，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，增強(qiáng)了太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。通過對(duì)蓄電池的幾種充電方法的比較，可知不同的充電方法對(duì)蓄電池的充電效率及使用壽命有著重要的影響。光伏照明控制系統(tǒng)主要由五大部分組成，即太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器、照明電路、負(fù)載，如圖28所示。圖2 8 光伏照明控制系統(tǒng)總框圖1．太陽(yáng)能電池（光伏板）太陽(yáng)能電池在整個(gè)系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)，其一是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，即白天時(shí)，太陽(yáng)能電池給蓄電池充電。其二是太陽(yáng)能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽(yáng)能電池兩端電壓的大小即可判斷光亮程度，也就是從太陽(yáng)能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。太陽(yáng)能電池方陣是由太陽(yáng)能電池單體按照一定的排列組合而成。太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，工作電流約為2025mA/cm2一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。2．蓄電池蓄電池也是整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源設(shè)備。白天時(shí)太陽(yáng)能電池給蓄電池充電；晚上及陰雨天，系統(tǒng)和負(fù)載所用電全部由蓄電池來提供。本系統(tǒng)采用的是12V12AH的閥控密封鉛酸蓄電池。3．控制器 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的智能核心，控制整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行，能自動(dòng)防止蓄電池組過充電和過放電的設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用ATmega48單片機(jī)做為中央控制芯片。本設(shè)計(jì)所研究的智能控制器，具有測(cè)量、計(jì)算和推理功能，采用了一對(duì)MOS晶體管（Power MOSFET）（如圖28中的QQ2），構(gòu)成串聯(lián)式PWM充電主電路，電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，提高了充電效率。4．負(fù)載 按要求選取額定電壓是12V、額定功率是10W的白熾燈。當(dāng)系統(tǒng)連接正常且有陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，控制器面板上的指示燈為綠色常亮，表示系統(tǒng)充電電路正常；當(dāng)充電指示燈出現(xiàn)綠色快速閃爍時(shí)，說明系統(tǒng)過電壓。蓄電池充電過程使用了PWM方式，如果過放保護(hù)動(dòng)作，在恢復(fù)充電時(shí)，控制器先要提升充電電壓到設(shè)定值，并保持10min，而后降到直充電壓，保持30分鐘，以激活蓄電池，避免蓄電池硫化結(jié)晶，最后降到浮充電壓，并保持浮充電壓。如果沒有發(fā)生過放，將不會(huì)進(jìn)入提升充電電壓方式，以防蓄電池失水。這些自動(dòng)控制過程將使蓄電池達(dá)到最佳充電效果并保證或延長(zhǎng)其使用壽命。蓄電池電壓在正常范圍時(shí)，控制器面板上的狀態(tài)提示燈為綠色常亮；充滿后狀態(tài)提示燈為綠色慢閃；當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓時(shí)，狀態(tài)提示燈變成橙黃色；當(dāng)蓄電池電壓繼續(xù)降低到過放電壓時(shí)，狀態(tài)指示燈變?yōu)榧t色，此時(shí)控制器將自動(dòng)關(guān)閉輸出。當(dāng)蓄電池電壓恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)時(shí)，將自動(dòng)使輸出開關(guān)導(dǎo)通，狀態(tài)指示燈為綠色。第3章 電池組部分概述 蓄電池部分概述 閥控密封鉛酸蓄電池的簡(jiǎn)介 普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短、效率低，維護(hù)復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍有限，目前已逐漸被淘汰。在本系統(tǒng)中，我們使用閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池。閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池誕生于20世紀(jì)70年代，到1975年時(shí)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)規(guī)模，很快就形成了產(chǎn)業(yè)化并大量投放市場(chǎng)。這種電池雖然也是鉛酸蓄電池，但是它與原來的鉛酸蓄電池相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，而倍受用戶歡迎，特別是讓那些需要將電池配套設(shè)備安裝在一起(或一個(gè)工作間)的用戶青睞，例如UPS、電信設(shè)備、移動(dòng)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、摩托車等。這是因?yàn)閂RLA電池是全密封的，不會(huì)漏酸，而且在充放電時(shí)不會(huì)象老式鉛酸蓄電池那樣會(huì)有酸霧放出來而腐蝕設(shè)備，污染環(huán)境，所以從結(jié)構(gòu)特性上人們把VRLA電池又叫做密閉（封）鉛酸蓄電池。為了區(qū)分，把老式鉛酸蓄電池叫做開口鉛酸蓄電池。由于VRLA電池從結(jié)構(gòu)上來看，它不但是全密封的，而且還有一個(gè)可以控制電池內(nèi)部氣體壓力的閥，所以VRLA鉛酸蓄電池的全稱便成了“閥控式密閉鉛酸蓄電池”閥控式鉛酸蓄電池的密封機(jī)理。 閥控密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及原理PbPbSO4負(fù)極板PbO2PbSO4正極板O2電解液H2SO4隔板AGM整流器4e安全閥I+閥控密封鉛酸蓄電池由極板、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液式結(jié)構(gòu)和陰極吸附式原理，在電池內(nèi)部通過實(shí)現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達(dá)到全密封的效果。閥控密封鉛酸蓄電池工作原理如圖所示。正極板采用鉛鈣合金、鉛鎘合金或低銻合金，負(fù)極板采用鉛鈣合金。圖3 1 閥控密封鉛酸蓄電池VRLA蓄電池有兩種：一種是采用超細(xì)玻璃纖維隔膜的VRLA蓄電池（AGM）；另一種是采用膠體電解液的VRLA蓄電池（GFL）。不論是采用玻璃纖維隔膜的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡(jiǎn)稱AGM密封鉛蓄電池)還是采用膠體電解液的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡(jiǎn)稱膠體密封鉛蓄電池)，它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。電池充電時(shí)，正極會(huì)析出氧氣，負(fù)極會(huì)析出氫氣。正極析氧是在正極充電量達(dá)到70%時(shí)就開始了。析出的氧到達(dá)負(fù)極，跟負(fù)極起下述反應(yīng)，達(dá)到陰極吸收的目的。2Pb+O2=2PbO （31）2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O （32）負(fù)極析氫則要在充電到90%時(shí)開始，再加上氧在負(fù)極上的還原作用及負(fù)極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應(yīng)。對(duì)AGM密封鉛蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進(jìn)入電解液。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。對(duì)膠體密封鉛蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiQ質(zhì)點(diǎn)作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進(jìn)一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧提供了到達(dá)負(fù)極的通道。 閥控密封鉛酸蓄電池的特點(diǎn)鉛酸蓄電池密封的難點(diǎn)就是充電時(shí)水的電解。當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時(shí)（）在蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)加水維護(hù)。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點(diǎn)而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點(diǎn)為：（1）采用多元優(yōu)質(zhì)板柵合金，提高氣體釋放的過電位。（25℃）以上時(shí)釋放氣體。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，（25℃）以上時(shí)釋放氣體，從而相對(duì)減少了氣體釋放量。（2）讓負(fù)極有多余的容量，即比正極多出10%的容量。充電后期正極釋放的氧氣與負(fù)極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，如式（31）、（32）所示，使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生氫氣。這種正極的氧氣被負(fù)極鉛吸收，再進(jìn)一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。（3）為了讓正極釋放的氧氣盡快流通到負(fù)極，必須采用和普通鉛酸蓄電池所采用的微孔橡膠隔板不同的新型超細(xì)玻璃纖維隔板。其孔率由橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易于流通到負(fù)極，再化合成水。另外，超細(xì)玻璃纖維隔板具有將硫酸電解液吸附的功能，因此即使電池傾倒，也無電解液溢出。（4）采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，使酸霧不能逸出，達(dá)到安全、保護(hù)環(huán)境的目的。（5）殼體上裝有安全排氣閥，當(dāng)VRLA蓄電池內(nèi)部壓力超過安全閥的閾值時(shí)自動(dòng)開啟保證VRLA蓄電池的安全 影響閥控密封鉛酸蓄電池使用壽命的因素 閥控蓄電池特有的氧復(fù)合機(jī)理和閥控密封的結(jié)構(gòu)，雖然在一定程度上減少了它的維護(hù)工作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可靠性和魯棒性上有所