太阳能光伏照明控制系统的硬件电路项目设计方案.docx
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太阳能光伏照明控制系统的硬件电路项目设计方案
太阳能光伏照明控制系统的硬件电路项
目设计方案
1.1概述
传统的化石能源资源日益枯竭，严重的环境污染制约了世界经济的可持续发展。
能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战略物资，化石能源储量的有限性是发展可再生能源的主要因素之一。
根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可采年限仅有41年，其年占世界能源总消
耗量的40.5%,国内剩余可开采年限为15年；天然气剩余可采年限61.9年，其年占世界能源总消耗量的24.1%，国内剩余可开采年限30年；煤炭剩余可采年限230年，其年占世界能源总消耗量的25.2%，国内剩余可开采年限81年；铀剩余可采年限71年,其年占世界能源总消耗量的7.6%，国内剩余可开采年限为50年。
太阳能利用和光伏发电是最有发展前景的可再生能源，因此，世界各国都把太阳能光伏发电的商业化开发和利用作为重要的发展方向，制定了相应的导向政策。
在光伏发电的历史上，最早规模化推广的是日本，而后是德国，再发展到现在大力推广的包括美国、西班牙、意大利、挪威、澳大利亚、韩国、印度等超过40个国家与地区，如日本
“新阳光计划”、欧盟“可再生能源白皮书”，以及美国国家光伏发展计划、百万太阳能屋顶计划、光伏先锋计划等的相继推出，成为近年来推动太阳能光伏发电产业的主要动力。
根据欧盟的预测：
到2030年太阳能发电将占总能耗10%以上，到2050年太阳能发电将占总能耗20%
1.2光伏照明系统的结构
光伏照明系统主要由五大部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制器、照明电路、负载，如下图1-1所示。
在系统中，控制器是整个系统的核心。
它控制蓄电池的充电及蓄电池对负载的供电,对蓄电池性能、使用寿命有非常大的影响。
目前，光伏系统主要由于控制器控制蓄电池充电方式不合理，降低了蓄电池寿命而导致整个系统可靠性不高，因此，在控制器的设计中采用什么样的充电方式非常关键。
目前市场上的光伏控制器还存在着许多的不足之处，比如：
系统的配置、控制精准度不够高，系统的使用寿命、阴雨天的工作时间等。
因此，改善太阳能路灯系统的可靠性，开发性能优良的太阳能控制器也成为重要的研究课题。
1.3本文的主要内容
本论文设计了一种光伏照明控制系统，针对目前光伏控制系统控制器未能充分利用太阳能电池，对蓄电池的保护不够充分、蓄电池的寿命缩短这种状况，研究设计了一种基于ATmega4单片机的光伏控制器。
本文在太阳能电池对蓄电池的充电方式及蓄电池对负载的供电方面做了分析，完成了硬件电路设计和软件主程序的设计，结合PWM充电
控制法，实现了对蓄电池充放电的管理，以满足本系统要求实现的功能。
本论文由以下四部分组成：
第一部分是系统的总体设计方案，先通过对常用几种充电方法的比较，从而确定本系统采用的是PW充电控制法，基于此种充电方法设计出光伏控制系统的总体方案。
第二部分简单介绍了电池组的基本情况，包括蓄电池的结构和铅酸蓄电池的工作原理，以及根据系统的设计要求与自然条件选择合适的太阳能电池板。
第三部分是本论文的核心内容，介绍了光伏系统控制器的设计，重点阐述了充放电电路以及检测电路的设计。
第四部分阐述本系统的软件设计方案，主要介绍了系统软件的主程序流程。
第2章光伏照明控制系统的总体设计方案
一般情况下，充电电流的安培数不应超过蓄电池待充电的安培时数。
常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和产生的气体量所限制。
以上两点对于为蓄电池选择合
适的充电方法有着重要的意义。
2.1.1恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电
电流强度不变的充电方法。
恒流充电电路如图2-2所示。
控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，一般情况下不选用此方法。
图2-3恒流充电曲线
2.1.2阶段充电法
1.二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图2-4所示。
首先，以
恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
2.三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。
当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。
这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。
2.1.3恒压充电法
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。
与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。
用恒定电压快速充电，如图2-6所示。
由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。
这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。
但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。
图2-5恒压充电电路
图2-6恒压充电曲线
2.1.4脉冲式充电法（PWM电控制法）
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环,如图2-7所示。
充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。
⑶
图2-7脉冲式充电曲线
表2-1对上述几种充电方法的比较
充电方法
优点
缺点
恒流充电法
可以任意选择和调整充电电流，特别适
合蓄电池容量恢复的小电流长时间充电
初始充电电流过小，充电后期电流又过大充电时间长、析出气体多、对极板的冲击较大、能耗较咼、效电率较低，充电时间长
阶段充电法
产生气体少，较其他两种方法充电快
不易控制，前后两段都包括恒流与恒压充电的缺点
恒压充电法
接近最佳曲线，电解水少，避免了蓄电池过充，控制装置简单
充电初期电流过大，对畜电池寿命造成很大影响，且容易使电池极板弯曲，造成电池报废
脉冲式充电法
充电过程不产生大量，且不热，从而可大量缩短充电时间
快速充电转换效率低，易造成极板的活性物质脱落
通过几种蓄电池充电方法的分析，可知，脉冲式充电法（PWM充电控制法），有其它充电方法无法比拟的优点。
所以采用PWMK电控制法，设计太阳能光伏照明智能控制器。
该控制器提高了充电效率，延长了蓄电池的使用寿命，增强了太阳能路灯系统运行可靠性。
2.2系统的总体设计
通过对蓄电池的几种充电方法的比较，可知不同的充电方法对蓄电池的充电效率及使用寿命有着重要的影响。
光伏照明控制系统主要由五大部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制器、照明电路、负载，如图2-8所示。
图2-8光伏照明控制系统总框图
1太阳能电池（光伏板）
太阳能电池在整个系统中的作用有两个，其一是把太阳能转变成电能，即白天时，太阳能电池给蓄电池充电。
其二是太阳能电池作为系统的光控元件，从太阳能电池两端电压的大小即可判断光亮程度，也就是从太阳能电池电压的大小来判断天黑和天亮。
太阳能电池方阵是由太阳能电池单体按照一定的排列组合而成。
太阳能电池单体是
光电转换的最小单元，太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20-25mA/cn1一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。
太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。
2．蓄电池蓄电池也是整个太阳能路灯系统的关键部位，它是整个太阳能系统的储备能源设备。
白天时太阳能电池给蓄电池充电；晚上及阴雨天，系统和负载所用电全部由蓄电池来提供。
本系统采用的是12V-12AH的阀控密封铅酸蓄电池。
3．控制器控制器是整个系统的智能核心，控制整个太阳能路灯系统的正常运行，能自动防止
蓄电池组过充电和过放电的设备。
本设计采用ATmega48|片机做为中央控制芯片。
本设计所研究的智能控制器，具有测量、计算和推理功能，采用了一对MOS晶体管
（PowerMOSFET（如图2-8中的Q1Q2），构成串联式PWMS电主电路，电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，提高了充电效率。
4．负载
按要求选取额定电压是12V、额定功率是10W勺白炽灯。
2.3系统的工作过程
当系统连接正常且有阳光照射到太阳能电池上时，控制器面板上的指示灯为绿色常亮，表示系统充电电路正常；当充电指示灯出现绿色快速闪烁时，说明系统过电压。
蓄电池充电过程使用了PW方式，如果过放保护动作，在恢复充电时，控制器先要提升充电电压到设定值，并保持10min，而后降到直充电压，保持30分钟，以激活蓄电池，避免蓄电池硫化结晶，最后降到浮充电压，并保持浮充电压。
如果没有发生过放，将不会进入提升充电电压方式，以防蓄电池失水。
这些自动控制过程将使蓄电池达到最佳充电效果并保证或延长其使用寿命。
蓄电池电压在正常范围时，控制器面板上的状态提示灯为绿色常亮；充满后状态提示灯为绿色慢闪；当蓄电池电压降到欠压时，状态提示灯变成橙黄色；当蓄电池电压继续降低到过放电压时，状态指示灯变为红色，此时控制器将自动关闭输出。
当蓄电池电压恢复到正常工作范围内时，将自动使输出开关导通，状态指示灯为绿色。
第3章电池组部分概述
3.1蓄电池部分概述3.1.1阀控密封铅酸蓄电池的简介
普通铅酸蓄电池由于使用寿命短、效率低，维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围有限，目前已逐渐被淘汰。
在本系统中，我们使用阀控密封式铅酸（VRLA蓄电池。
阀控密封式铅酸（VRLA蓄电池诞生于20世纪70年代，到1975年时，在一些发达国家已经形成了相当的生产规模，很快就形成了产业化并大量投放市场。
这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，而倍受用户欢迎，特别是让那些需要将电池配套设备安装在一起（或一个工作间）的用户青睐，例如UPS电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。
这是因为VRLAt池是全密封的，不会
漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把VRLAt池又叫做密闭（封）铅酸蓄电池。
为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。
由于VRLAt池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA昔酸蓄电池的全称便成
了“阀控式密闭铅酸蓄电池”阀控式铅酸蓄电池的密封机理。
3.1.2阀控密封铅酸蓄电池的结构及原理
阀控密封铅酸蓄电池由极板、隔板、防爆帽、外壳等部分组成，采用全密封、贫液式结构和阴极吸附式原理，在电池内部通过实现氧气与氢气的再化合，达到全密封的效果。
阀控密封铅酸蓄电池工作原理如图所示。
正极板采用铅钙合金、铅镉合金或低锑合金，负极板采用铅钙合金。
VRLA蓄电池有两种：
一种是采用超细玻璃纤维隔膜的VRLA蓄电池（AGM；另一种是采用胶体电解液的VRLA蓄电池（GFL。
不论是采用玻璃纤维隔膜的阀控式密封铅蓄电池（以下简称AGM密封铅蓄电池）还是采用胶体电解液的阀控式密封铅蓄电池（以下简称胶体密封铅蓄电池），它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的。
电池充电时，正极会析出氧气，负极会析出氢气。
正极析氧是在正极充电量达到70%寸就开始了。
析
出的氧到达负极，跟负极起下述反应，达到阴极吸收的目的。
2Pb+O=2PbO（3-1）
2PbO+22SQ=2PbSO+2HO（3-2）
负极析氢则要在充电到90%寸开始，再加上氧在负极上的还原作用及负极本身氢过电位的提高，从而避免了大量析氢反应。
对AGM密封铅蓄电池而言，AGM隔膜中虽然保持了电池的大部分电解液，但必须使10%勺隔膜孔隙中不进入电解液。
正极生成的氧就是通过这部分孔隙到达负极而被负极吸收的。
对胶体密封铅蓄电池而言，电池内的硅凝胶是以酸蓄电池质点作为骨架构成的三维多孔网状结构，它将电解液包藏在里边。
电池灌注的硅溶胶变成凝胶后，骨架要进一步收缩，使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间，给正极析出的氧提供了到达负极的通道。
3.1.3阀控密封铅酸蓄电池的特点
铅酸蓄电池密封的难点就是充电时水的电解。
当充电达到一定电压时（一般在2.30V/单体以上）在蓄电池的正极上放出氧气，负极上放出氢气。
一方面释放气体带出酸雾污染环境，另一方面电解液中水份减少，必须隔一段时间进行补加水维护。
阀控式铅酸蓄电池就是为克服这些缺点而研制的产品，其产品特点为：
（1）采用多元优质板栅合金，提高气体释放的过电位。
即普通蓄电池板栅合金在2.30V/单体（25C）以上时释放气体。
采用优质多元合金后，在2.35V/单体（25C）以上时释放气体，从而相对减少了气体释放量。
（2）让负极有多余的容量，即比正极多出10%勺容量。
充电后期正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，如式（3-1）、（3-2）所示，使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。
这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成水的过程，即所谓阴极吸收。
（3）为了让正极释放的氧气尽快流通到负极，必须采用和普通铅酸蓄电池所采用
的微孔橡胶隔板不同的新型超细玻璃纤维隔板。
其孔率由橡胶隔板的50勉高到90%以
上，从而使氧气易于流通到负极，再化合成水。
另外，超细玻璃纤维隔板具有将硫酸电
解液吸附的功能，因此即使电池倾倒，也无电解液溢出。
（4）采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出，达到安全、保护环境的目的。
（5）壳体上装有安全排气阀，当VRLAS电池内部压力超过安全阀的阈值时自动开启保证VRLA蓄电池的安全
3.1.4影响阀控密封铅酸蓄电池使用寿命的因素
阀控蓄电池特有的氧复合机理和阀控密封的结构，虽然在一定程度上减少了它的维护工作量，但使得其比防酸隔爆蓄电池在可靠性和鲁棒性上有所下降，更容易受环境的
变化、使用条件等因素的影响。
影响阀控密封铅酸蓄电池寿命的外部因素主要有以下几个方面：
1环境温度
环境温度过高对阀控蓄电池使用寿命的影响很大。
温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。
阀控蓄电在使用中对温度有一定要求。
典型的阀控蓄电池高于25C时，每升高6〜9C，电池寿命缩短一半。
因此，其浮充电压应根据温度进行补偿，一般为2〜4mV/C，而现有很多充电机没有此功能。
为达到阀控蓄电池的最佳使用寿命，应尽可能创造恒温下的使用环境，同时保持蓄电池良好的通风和散热条件。
具体来说，安放蓄电池的房间应有空调设备。
蓄电池摆放要留有适当的间距，改善电池与环境媒介的热交换。
电池间保持不小于15mm勺间隙，
电池与上层隔板间有不小于150mm勺间距的“通风道”来降低温升。
表3-1全国主要城市辐射参数表
城市
纬度©
日辐射量H
最佳倾角©op
斜面日辐射量
修正系数Kop
哈尔滨
45.68
12703
©+3
15838
1.1400
长春
43.90
13572
©+1
17127
1.1548
沈阳
41.77
13793
©+1
16563
1.0671
北京
39.80
15261
©+4
18035
1.0976
天津
39.10
14356
©+5
16722
1.0692
呼和浩特
40.78
16574
©+3
20075
1.1468
太原
37.78
15061
©+5
17394
1.1005
乌鲁木齐
43.78
14464
©+12
16594
1.0092
西宁
36.75
16777
©+1
19617
1.1360
兰州
36.05
14966
©+8
15842
0.9489
银川
38.48
16553
©+2
19615
1.1559
西安
34.30
12781
©+14
12952
0.9275
上海
31.17
12760
©+3
13691
0.9900
南京
32.00
13099
©+5
14207
1.0249
合肥
31.85
12525
©+9
13299
0.9988
杭州
30.23
11668
©+3
12372
0.9362
南昌
28.67
13094
©+2
13714
0.8640
福州
26.08
12001
©+4
12451
0.8978
济南
36.68
14043
©+6
15994
1.0630
郑州
34.72
13332
©+7
14558
1.0476
武汉
30.63
13201
©+7
13707
0.9036
长沙
28.20
11377
©+6
11589
0.8028
广州
23.13
12110
©-7
12702
0.8850
海口
20.03
13835
©+12
13510
0.8761
南宁
22.82
12515
©+5
12734
0.8231
成都
30.67
10392
©+2
10304
0.7553
贵阳
26.58
10327
©+8
10235
0.8135
昆明
25.02
14194
©-8
15333
0.9216
拉萨
29.70
21301
©-8
24151
1.0964
2．过度充电提升浮充电压，或环境温度升高，使充入电流陡升，气体再化合效率随充电电流增
大而变小，在0.05C时复合率为90%当电流在0.1C时，气体再化合效率近似为零。
由于过充电将使产生的气体不可能完全被再化合，从而引起电池内部压力增加，当到达一定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，同时带出酸雾，消耗了有限的电解液，导致电池容量下降或早期失效。
其次，在长期过充电状态下，H增加，从而导致正极附近酸
度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄，加速电池的腐蚀，使电池容量降低，从而影响蓄电池的寿命。
为避免产生多余的气体，阀控蓄电池对充电机稳压限流精度提出了较高的要求。
3．过度放电或小电流放电蓄电池过度放电主要发生在交流电源停电后，蓄电池长时间为负载供电。
当蓄电池被过度放电时，会在电池的阴极造成“硫酸盐化”。
因硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响。
在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，蓄电池的使用寿命就越短。
小电流放电条件下形成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的，若硫酸铅晶体长期得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。
过度放电或小电流放电对阀控蓄电池的影响比对常规蓄电池的影响更大。
因此在直流系统交流电源失去后，要严密监视蓄电池的电压和电流，防止阀控蓄电池过度放电。
为避免小电流放电，阀控蓄电池不应长期退出系统运行。
3.2太阳能电池部分概述
3.2.1辐射参数的确定
如表3-1所示，本设计中，参考合肥地区的相关参数。
3.2.2相关参数的换算
1.倾斜面上太阳总辐射的换算倾斜面上的太阳总辐射计算公式：
3-1）
3-2）
HT=Kop*HL
式中：
HT——倾斜面上的太阳总辐射量；
Kop――斜面最佳辐射系数；
HL——水平面上的年平均日辐射量。
2.白炽灯的日功耗
计算出白炽灯每天的功耗，计算公式如下：
Q=Pi*hi式中：
Q――白炽灯每天功耗；
R――白炽灯的额定功率，Pi=10W
hi――每天平均工作的小时数，hi=8h
3.太阳能电池总功率的计算
所消耗太阳能电池总功率的计算公式：
错误！
未找到引用源。
（3-3）
式中：
P――太阳能电池总用量；
A――安全系数，一般取A=1.1〜1.3。
4.太阳能电池输出电压Vs的确定
太阳能电池方阵的输出电压Vs与负载工作电压（Vf+Vi）应满足电压平衡方程式：
VS=V+V（3-4）
式中：
Vs——太阳能电池输出电压；
V——蓄电池的浮充电压，W13.6V;
V――所有串联入回路的元器件和线路引起的电压降，一般取Vi=1Vo
可由经验公式确定：
VS=1.3Vb（3-5）
式中：
Vb——蓄电池的工作电压，VB=12V;
Vs和Vb的比例设计合理，太阳能光电池可近似实现最大功率输出，提高太阳能光电池的光电转化效率。
5.太阳能电池输出电流Is的确定太阳能电池输出电流与太阳能电池总功率满足如下计算公式：
P=V*Is（3-6）
3.2.3光伏板参数的确定
综上可得，光伏板最终的参数为：
表3-2所选定光伏板的参数
开路电压Voc
24〜28V
短路电流lsc
1300〜1600mA
工作电压Vop
14.5〜20V
工作电流Iop
930〜1120mA
峰值功率Pm
15〜21W
第4章控制器的设计
4.1单片机元件概述
4.1.1AVR系列单片机及ATmega4弹片机简介
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced
InstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
AVR单片机废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。
ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMO微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega48的数据吞吐率高达1Mimps/MHz从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
图4-1ATmega48单片机引脚图
4.1.2AVR单片机的优势
1.简便易学，费用低廉
选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVF单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。
AVR单片机费用低廉。
学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式（即把PC机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中），不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发应用，这可
节省很多开发费用。
程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。
2.高速、低耗、保密
AVR单片机是高速嵌入式单片机：
AVF单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快；耗能低，有的器件最低1.8V即可工作
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