【正文】 太陽能光伏照明控制系統(tǒng)的硬件電路項目設(shè)計方案 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)威機構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲量以及開采速度來計算，全球石油剩余可采年限僅有41 年，%，國內(nèi)剩余可開采年限為15 年； 年，%，國內(nèi)剩余可開采年限30 年；煤炭剩余可采年限230 年，%，國內(nèi)剩余可開采年限81 年；鈾剩余可采年限71 年，%，國內(nèi)剩余可開采年限為50 年。太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生能源，因此，世界各國都把太陽能光伏發(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)模化推廣的是日本，而后是德國，再發(fā)展到現(xiàn)在大力推廣的包括美國、西班牙、意大利、挪威、澳大利亞、韓國、印度等超過40個國家與地區(qū)，如日本“新陽光計劃”、歐盟“可再生能源白皮書”，以及美國國家光伏發(fā)展計劃、百萬太陽能屋頂計劃、光伏先鋒計劃等的相繼推出，成為近年來推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主要動力。根據(jù)歐盟的預(yù)測：到2030年太陽能發(fā)電將占總能耗10%以上，到2050年太陽能發(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，控制器是整個系統(tǒng)的核心。它控制蓄電池的充電及蓄電池對負(fù)載的供電，對蓄電池性能、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)致整個系統(tǒng)可靠性不高，因此，在控制器的設(shè)計中采用什么樣的充電方式非常關(guān)鍵。 目前市場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、陰雨天的工作時間等。因此，改善太陽能路燈系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)性能優(yōu)良的太陽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)計了一種光伏照明控制系統(tǒng)，針對目前光伏控制系統(tǒng)控制器未能充分利用太陽能電池，對蓄電池的保護不夠充分、蓄電池的壽命縮短這種狀況，研究設(shè)計了一種基于ATmega48單片機的光伏控制器。本文在太陽能電池對蓄電池的充電方式及蓄電池對負(fù)載的供電方面做了分析，完成了硬件電路設(shè)計和軟件主程序的設(shè)計，結(jié)合PWM充電控制法，實現(xiàn)了對蓄電池充放電的管理，以滿足本系統(tǒng)要求實現(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)計方案，先通過對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)計出光伏控制系統(tǒng)的總體方案。第二部分簡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)計要求與自然條件選擇合適的太陽能電池板。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，重點闡述了充放電電路以及檢測電路的設(shè)計。第四部分闡述本系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案，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。以上兩點對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，保持充電電流強度不變的充電方法。恒流充電電路如圖22所示?？刂品椒ê唵?，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(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，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勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(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電池充電，然后讓電池停充一段時間，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 對上述幾種充電方法的比較充電方法優(yōu)點缺點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)的小電流長時間充電初始充電電流過小，充電后期電流又過大充電時間長、析出氣體多、對極板的沖擊較大、能耗較高、效電率較低，充電時間長階段充電法產(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，控制裝置簡單充電初期電流過大，對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。所以采用PWM充電控制法，設(shè)計太陽能光伏照明智能控制器。該控制器提高了充電效率，延長了蓄電池的使用壽命，增強了太陽能路燈系統(tǒng)運行可靠性。通過對蓄電池的幾種充電方法的比較，可知不同的充電方法對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．太陽能電池（光伏板）太陽能電池在整個系統(tǒng)中的作用有兩個，其一是把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，即白天時，太陽能電池給蓄電池充電。其二是太陽能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽能電池兩端電壓的大小即可判斷光亮程度，也就是從太陽能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。太陽能電池方陣是由太陽能電池單體按照一定的排列組合而成。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，工作電流約為2025mA/cm2一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(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太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它是整個太陽能系統(tǒng)的儲備能源設(shè)備。白天時太陽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 控制器是整個系統(tǒng)的智能核心，控制整個太陽能路燈系統(tǒng)的正常運行，能自動防止蓄電池組過充電和過放電的設(shè)備。本設(shè)計采用ATmega48單片機做為中央控制芯片。本設(shè)計所研究的智能控制器，具有測量、計算和推理功能，采用了一對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)連接正常且有陽光照射到太陽能電池上時，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，說明系統(tǒng)過電壓。蓄電池充電過程使用了PWM方式，如果過放保護動作，在恢復(fù)充電時，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，將不會進入提升充電電壓方式，以防蓄電池失水。這些自動控制過程將使蓄電池達(dá)到最佳充電效果并保證或延長其使用壽命。蓄電池電壓在正常范圍時，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，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，狀態(tài)指示燈變?yōu)榧t色，此時控制器將自動關(guān)閉輸出。當(dāng)蓄電池電壓恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)時，將自動使輸出開關(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介 普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短、效率低，維護復(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，在一些發(fā)達(dá)國家已經(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。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，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(或一個工作間)的用戶青睞，例如UPS、電信設(shè)備、移動通信設(shè)備、計算機、摩托車等。這是因為VRLA電池是全密封的，不會漏酸，而且在充放電時不會象老式鉛酸蓄電池那樣會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，正極會析出氧氣，負(fù)極會析出氫氣。正極析氧是在正極充電量達(dá)到70%時就開始了。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。對膠體密封鉛蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiQ質(zhì)點作為骨架構(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鉛酸蓄電池密封的難點就是充電時水的電解。當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時（）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，必須隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點為：（1）采用多元優(yōu)質(zhì)板柵合金，提高氣體釋放的過電位。（25℃）以上時釋放氣體。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，（25℃）以上時釋放氣體，從而相對減少了氣體釋放量。（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自動開啟保證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