太阳能家用照明系统控制简版.docx
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太阳能家用照明系统控制简版
太阳能家用照明系统控制简版
太阳能家用照明系统控的设计
【目录】：
∙摘要8-9
∙1绪论10-15
∙1.1.1课题研究的背景和意义
∙1.2太阳能光伏发电利用的现状11-13
∙1.2.1国外太阳能光伏发电利用状况11-12
∙1.2.2国内太阳能光伏发电利用状况12-13
∙1.3太阳能家用照明系统的发展趋势13
∙2太阳能家用照明系统组件分析15-31
∙2.1太阳能家用照明系统主控制电路15-16
∙2.2光伏电池16-18
∙2.2.1光伏电池基本知识16-17
∙2.2.1.1光伏电池的工作原理及特点16
∙2.3.2铅酸蓄电池充放电原理18-19
∙2.4DC/DC控制电路20-26
∙2.5电路工作电源29-31
∙3太阳能家用照明系统控制器硬件参数设计31-37
∙太阳能家用照明系统控制器软件设计37-44
∙5结果与讨论44-45
【摘要】：
太阳能家用照明系统由光伏电池组件、蓄电池、控制器和照明负载等主要器件组成。
光伏电池组件将接收到太阳光能转变电能储存在蓄电池之中,控制器将根据用户的需要控制蓄电池向照明负载供电或断电,因此,控制器在太阳能家用照明系统有至关重要的作用。
本课题设计了一种以STC12C5410AD核心的太阳能家用照明系统控制器。
SG3525电路产生10KHz的PWM信号去驱动Buck电路,Buck电路将输入直流电变换成稳定的36V直流输出,STC12C5410AD通过数据处理实现对对蓄电池的充电管理,并产生两路方波控制逆变电路实现DC/AC逆变,将36V转换成220V交流电输出。
其稳压功能是这样实现的:
220V交流电通过变压、整流、滤波后作为电路的反馈电压与SG3525内部提供的给定基准电压进行比较,产生差值信号△Uk送SG3525进行处理,如果△Uk=0,说明此时输出电压满足稳压要求,不需调整Buck电路;如果△Uk0,则说明要输出电压偏高,此时,SG3525将根据Buck电路Vo=TTonVi=DVi的特点,通过反馈电压值降低PWM输出的脉冲宽度,以减少开关管的占空比D,从而降低Buck电路输出,直至与设定值相等;相反,则要增大开关管的占空比,使之稳定。
STC12C5410AD通过对蓄电池端电压进行采样值来确定蓄电池的工作状态,正常工作时绿灯亮;检测到欠压时,红灯亮,报警器工作;检测到过压时,黄灯亮,报警器工作。
为防止功率管被烧坏,三路PWM信号都有相应的驱动保护电路。
本控制器还设计了欠压保护功能。
当STC12C5410AD检测到电路欠压故障时,发出一个低电平信号触发光耦TLP521,使其导通后,SG3525管脚获得一个高于2.5V电压,关闭输出的PWM信号,DC-DC停止工作;当检测到电压恢复正常时,由STC12C5410AD发出一个高电平信号触发光耦TLP521,使其截止,SG3525管脚10被拉低,输出的PWM信号重新开启,DC-DC又恢复工作,以实现欠压保护。
此外,在光线不足的情况下,该控制器能够接通市电,以保证照明设备正常供电。
【关键词】：
光伏电池照明系统Buck电路STC12C5410ADSG3525
课题研究的背景和意义
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。
太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。
在新实际中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。
而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，在我国西部广袤严寒、地形多样和居住分散的现实条件下，有着非常独特的作。
一、国内外太阳能利用概况
1.l国外现状
常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。
近几年，国际光伏发电迅猛发展。
1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23．4％；1997年美国和欧洲相继宣布"百万屋顶光伏计划"，美国计划到2010年安装1000～3000MW太阳电池。
日本不甘落后，1997年补贴"屋顶光伏计划"的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw。
印度计划1998－002年太阳电池总产量为150MW，其中2002年为50MW。
国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。
到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率提高到15％以上，系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。
太阳能热发电在技术上也有所突破，目前已有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。
1．2国内现状
煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。
我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。
太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速发展是在80年代。
在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4．5兆瓦。
目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约1.1兆瓦，成效显著。
（1）建成了40多座县、乡级小型光伏电站，光伏电池总装机容量约600kw，其中西藏最多，达450多kw；1998年10月建成我国最大的西藏那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量高达100kw。
（2）家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、西藏以及辽宁、吉林、河北、海南、四川等地广泛应用。
据不完全统计，至今全国已累计推广家用光伏电源约15万台，光伏电池总功率约达2.9MW。
（3）在22所农村学校建立了光伏电站，光伏电池组件的总装机容量为57kw。
（4）1998年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程，有26个光缆通信站采用光伏电池作电源，其海拔高度多在4500m以上，光伏电池组件的总功率达100kw。
（5）1996年建成了塔中4--轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统，总功率为40kw。
该系统横贯环境恶劣复杂的塔克拉玛干大沙漠，总长达300Km。
（6）1995年，63个国家重点援藏项目一西藏广播电视发射接收工程采用光伏电池供电，共建成216套卫视接收站和＊套调频发射站光伏电池供电系统，总功率为300多kw。
用。
2太阳能家用照明系统组件分析
太阳能家用照明系统由光伏电池组件、蓄电池、控制器和照明负载等主要器件组成。
即是通过太阳能电池又叫光伏电池（是由各种具有不同电子特性的半导体材料薄膜制成的平展晶体，可产生强大的内部电场），为了保护这些光伏电池不受环境影响，需要把它们连接起来并封装在组件中，当光线进入晶体时，由光产生的电子被这些电场分离，在太阳能电池的顶面和底面之间产生电动势。
这时，如果用电路连通，就会产生直流电流，这些电流储存到蓄电池，再通过固态电子功率调节装置转换成所需的交流电提供给各种负载。
所以晚上没有太阳时，负载是一样可以正常工作的。
太阳能发电系统可分为太阳能热发电和太阳能光发电两种。
太阳能热发电就是利用太阳能将水加热，使产生的蒸汽去驱除汽轮机发电机组。
根据热电转换方式的不同，把太阳能电站分为集中型太阳能电站和分散型太阳能电站。
塔式太阳能电站是集中型的一种，既在地面上敷设大量的集热器阵列，在阵列中适当地点建一高塔，在塔顶设置吸热器，从集热器来的阳光热集到吸热器上，使吸热器内的工作介质温度提高，变成蒸汽通过管道把蒸汽送到地面上的汽轮机发电机组发电。
家用太阳能系统
光电发电能力
1000瓦以下
目标设施
个人住宅
用 途
照明、电视机、收音机、路灯
优 点
●系统结构简单。
●非常适合分散居住的乡村。
●使用更精确，因为用户是单独的住户。
负载设计
100~150Wp家用太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
负载功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
2
3/4
88Wh
卫星电视接收机
25W
1
3/4
100Wh
彩色电视
21寸
70W
1
3/4
280Wh
总计
117W
468Wh
设备配置：
太阳电池组件：
100W~150Wp；
免维护蓄电池：
50~65AH/24V；
充电控制器：
6A；
可以连续工作三个阴雨天
300Wp家用太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
耗电功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
4
4
176Wh
收音机
3W
1
6
18Wh
卫星电视接收机
25W
1
6
150Wh
彩色电视
21寸
70W
1
6
420Wh
水泵
200W
1
0.9
180Wh
总计
342W
944Wh
设备配置：
太阳电池组件：
300Wp；免维护蓄电池：
150AH/24V；
逆变器：
500W；充电控制器：
12A。
安装方式：
简易自安装
可以连续工作三个阴雨。
太阳能发电
太阳能组件
家用太阳能发电系统
太阳能黄灯
单晶硅太阳能电池板
多晶硅太阳能电池板
500Wp家用/办公太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
耗电功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
6
4
264Wh
电脑
液晶显示
100W
1
5
500Wh
打印机
喷墨
30W
1
1
30Wh
传真机
喷墨
150W
1
1
150Wh
电冰箱（选项）
150L
100W
1
24
800Wh
卫星电视接收机/VCD
25W
1
6
150Wh
彩色电视
21寸
70W
1
6
420Wh
水泵
200W
1
0.5
100Wh
总计
640W
1614Wh
设备配置：
太阳电池组件：
500Wp；
免维护蓄电池：
300AH/24V；
逆变器：
1000W；
充电控制器：
20A。
安装方式：
可上门安装或提供图纸
可以连续工作三个阴雨.电冰箱与办公设备只能选其一。
800Wp家用/办公太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
耗电功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
6
4
264Wh
电脑
液晶显示
100W
1
5
500Wh
打印机
喷墨
30W
1
1
30Wh
传真机
喷墨
150W
1
1
150Wh
电冰箱
150L
100W
1
24
800Wh
洗衣机
300W
1
0.5
150Wh
微波炉（选项）
1000W
1
0.5
500Wh
卫星电视接收机/VCD
25W
1
6
150Wh
彩色电视
21寸
70W
1
6
420Wh
水泵
200W
1
0.5
100Wh
总计
2000W
2264Wh
设备配置：
太阳电池组件：
800Wp；
免维护蓄电池：
400AH/24V；
逆变器：
2000W；
充电控制器：
30A。
安装方式：
可上门安装或提供图纸
可以连续工作三个阴雨天
微波炉与办公设备只能选其一。
如果太阳电池组件采用1000Wp，微波炉与办公设备即可同时使用。
太阳能发电
太阳能组件
家用太阳能发电系统
太阳能黄灯
单晶硅太阳能电池板
多晶硅太阳能电池板
光电发电能力
1到10千瓦
目标设施
学校、医院、公共会堂或私人住宅
用途
电视机、录像机、电信设备、照明
优点
●能够优先向公共建筑和电气设施供电。
●便于收取以下费用:
设施使用、食物存藏、充电和水。
●设施管理人员能够同时控制系统运行。
●能够显著提高生活水平。
1600Wp家用/办公太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
耗电功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
8
6
528Wh
电脑
液晶显示
100W
2
5
1000Wh
打印机
激光
250W
1
1
250Wh
传真机
喷墨
150W
1
2
150Wh
电冰箱
150L
100W
1
24
800Wh
洗衣机
300W
1
0.5
150Wh
微波炉
1000W
1
1
1000Wh
卫星电视接收机/VCD
25W
1
6
150Wh
彩色电视
21寸
95W
1
6
570Wh
水泵
400W
1
1
100Wh
总计
2600W
4698Wh
设备配置：
太阳电池组件：
1600Wp；
免维护蓄电池：
400AH/48V；
逆变器：
3000W；
充电控制器：
30A。
安装方式：
可上门安装或提供图纸
可以连续工作三个阴雨天
2400Wp家用/办公太阳能发电系统
设计负载电器名称
规格型号
耗电功率
数量
每日工作时间
日耗电量
照明
节能灯
11W
8
6
528Wh
电脑
液晶显示
100W
2
5
1000Wh
打印机
激光
250W
1
1
250Wh
传真机
喷墨
150W
1
2
150Wh
电冰箱
150L
100W
1
24
800Wh
洗衣机
300W
1
0.5
150Wh
微波炉
1000W
1
1
1000Wh
空调
1.5匹
1200W
1
5
3000Wh
卫星电视接收机/VCD
25W
1
6
150Wh
彩色电视
21寸
95W
1
6
570Wh
水泵
400W
1
1
100Wh
总计
3800W
7698Wh
2.2光伏电池
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应原理工作的太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。
在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
光伏电池介绍：
太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。
目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。
在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。
多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。
按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。
根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。
本公司光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。
即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。
组件的安装架设十分方便。
组件的北面安装有一个防水接线盒，通过它可以十分方便地与外电路连接。
对每一块太阳电池组件，都保证20年以上的使用寿命。
∙2.3.2铅酸蓄电池充放电原理
铅酸蓄电池的工作原理
1、铅酸蓄电池电动势的产生
铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb（OH）4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子。
铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。
可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如右图所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。
2、铅酸蓄电池放电过程的电化反应铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。
同时在电池内部进行化学反应。
负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。
正极板的铅离子（Pb4）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb2），，与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。
正极板水解出的氧离子（O-2）与电解液中的氢离子（H）反应，生成稳定物质水。
电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。
放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。
3、铅酸蓄电池充电过程的电化反应
充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。
在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。
在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。
电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H）和硫酸根离子（SO4-2），负极不断产生硫酸根离子（SO4-2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。
充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。
4、铅酸蓄电池充放电后电解液的变化
从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。
从上面可以看出，铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。
实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
3太阳能家用照明系统控制器硬件参数设计31-37
2硬件电路组成及工作原理
2.1系统硬件结构
太阳能路灯智能控制器系统硬件结构如图1所示,该系统以STCl2C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。
电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。
单片机的P3口的两位作为键盘输入口，用于工作模式等参数的设置。
2.2STCl2C5410AD单片机
STCl2C5410AD是STCl2系列单片机，采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10KBFlash程序存储器，2KBFlash数据存储器，512BRAM数据存储器。
同时内部还有看门狗（WDT）；片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道：
PWM；具有可编程的8级中断源4种优先级，具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），片内资源丰富、集成度高、使用方便。
STCl2C5410AD对系统的工作进行实施调度,实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。
为充分使用片内资源，本文所设置的参数写入Flash数据存储器内。
2.3键盘电路
P3.4（TO）接F1键，用于设置状态的识别及参数设置；P3.5（T1）接F2键，用于自检及"加1"功能，根据程序流程，分别实现不同功能。
2.4电压采集与电池管理
太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断，因而可以作为白天、黄昏的识别信号。
同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。
蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。
利用微控制器的PWM功能对蓄电池进行充电管理。
若太阳能电池正常充电时蓄电池开路。
控制器将关断负载，以保证负载不被损伤,若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。
当充电电压高于保护电压（15V）时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压（13.2V）时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压（13.2V）后浮充关闭，进入均充状态。
当蓄电池电压低于保护电压（11V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。
通过PWM充电电路（智能三阶段充电），可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。
本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。
2.5负载输出控制与检测电路
本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制和检测，具有完善的过流、短路保护措施,电路原理如图2所示。
设计了两级保护：
第一级采用了由R7（0.01Ω康铜丝）以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路，配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现负载过流及短路保护，是一种硬件+软件的方式，LM358的输出送PL.7（A/D转换）口，用作过流信号识别，当电流超过额定电流20％并维持30s以上时，确认为过流；短路电流整定为10A，响应时间为毫秒数量级。
第二级采用了电子保险丝保护，当流经电子保险丝的电流骤然增加时，温度随之上升。
其电阻大大增加，工作电流大大降低，达到保护电路目的，响应时间为秒数量级，过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体，无须任何人为更换或维修。
系统采用了两级保护措
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