太阳能光伏照明控制系统的硬件电路项目设计方案.docx

1、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2

2、5.2%，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

3、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。

4、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

5、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

6、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

7、，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

8、（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。图2- 7脉冲式充电曲线表2-

9、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

10、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

11、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

12、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-12A H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（Power MOSFET（如图2-8中的Q1 Q2），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10

13、W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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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 2.30

19、V/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

20、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。

21、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69C，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 24 mV / 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

22、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45.6812703 +3158381.1400长春43.9013572 +1171271.1548沈阳41.7713793 +1165631.0671北京39.8015261 +4180351.0976天津39.1014356 +5167221.0692呼和浩特40.7816574 +3200751.1468太原37.7815061 +5173941.1005乌鲁木齐43.7814464 +12165941.0092西宁36.7516777 +1196171.1360兰州36.0514966 +8158420.9489银川38

23、.4816553 +2196151.1559西安34.3012781 +14129520.9275上海31.1712760 +3136910.9900南京32.0013099 +5142071.0249合肥31.8512525 +9132990.9988杭州30.2311668 +3123720.9362南昌28.6713094 +2137140.8640福州26.0812001 +4124510.8978济南36.6814043 +6159941.0630郑州34.7213332 +7145581.0476武汉30.6313201 +7137070.9036长沙28.2011377 +611

24、5890.8028广州23.1312110 -7127020.8850海口20.0313835 +12135100.8761南宁22.8212515 +5127340.8231成都30.6710392 +2103040.7553贵阳26.5810327 +8102350.8135昆明25.0214194 -8153330.9216拉萨29.7021301 -8241511.09642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

25、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，

26、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)

27、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=10Whi 每天平均工作的小时数，hi=8h3.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=1.11.3。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

28、；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I s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*I s (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Voc24 28V短路电流lsc1300 1600mA工作电压Vop14.5 20V工作电流Iop930

29、1120mA峰值功率Pm15 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(ReducedInstruction Set CPU)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

30、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- 1 ATmega48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