太陽(yáng)能充放電控制器設(shè)計(jì)

　　摘 要

　　太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認(rèn)為是當(dāng)前世界最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個(gè)方面，其核心部分就是充電控制器。

　　本設(shè)計(jì)針對(duì)目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)充電控制器對(duì)蓄電池的充放電控制不合理，同時(shí)保護(hù)也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電控制器的方案。在太陽(yáng)能對(duì)蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實(shí)際應(yīng)用方面做了一定分析，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的高效率管理。

　　在總體方案的指導(dǎo)下，本設(shè)計(jì)使用低功耗、高性能，超強(qiáng)抗干擾的STC89C52單片機(jī)作為核心器件對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件電路由太陽(yáng)能電池充放電電路，電壓采集和顯示電路，單片機(jī)控制電路和RS232串口通信電路組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電壓的采集和顯示。軟件部分依據(jù)PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制控制策略，編制程序使單片機(jī)輸出PWM控制信號(hào)，通過(guò)控制光電耦合器通斷進(jìn)而控制MOSFET管開(kāi)啟和關(guān)閉，達(dá)到控制蓄電池充放電的目的，同時(shí)按照功能要求實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)和短路保護(hù)。實(shí)驗(yàn)表明，該控制器性能優(yōu)良，可靠性高，可以時(shí)刻監(jiān)視太陽(yáng)能電池板和蓄電池狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電，達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

　　關(guān)鍵詞： 充電控制器； 太陽(yáng)能光伏發(fā)電； PWM脈寬調(diào)制；

　　1 緒論

　　1.1 課題研究背景和意義

　　能源資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，隨著人民生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，能源的缺口增大，能源問(wèn)題作為困擾人類長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素?cái)[在了人們面前。伴隨著世界能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，石油價(jià)格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經(jīng)不能適應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的需要，如何解決能源問(wèn)題，是每個(gè)國(guó)家都必須面臨的問(wèn)題。同時(shí)，以煤、石油作為燃料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)已經(jīng)開(kāi)始造成全球變暖，即“溫室效應(yīng)“，人類的生活將會(huì)由此受到很大的威脅。這些難題迫使政府和社會(huì)在發(fā)展常規(guī)能源的同時(shí)必須加大對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用。

　　新能源包括水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等。雖然風(fēng)能或水能等更加便宜，但是大多數(shù)的自家用戶卻都不可能找到適當(dāng)場(chǎng)合進(jìn)行架設(shè)，架設(shè)成本較高。而太陽(yáng)能則不同，任何自家用戶只要找到一個(gè)有陽(yáng)光照射到的窗戶都可以裝置太陽(yáng)能極板作輔助能源，幾百元投資便可以架設(shè)。所以綜合考慮，太陽(yáng)能無(wú)疑是符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專家也認(rèn)為，太陽(yáng)能將成為21世紀(jì)最重要也最有前景的能源之一。

　　而且太陽(yáng)輻射能與煤炭、石油等常規(guī)能源相比較，更有如下的優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）普遍性。

　　地球上處處都有太陽(yáng)能，不需要到處去尋找，去運(yùn)輸，容易獲取。

　?。?）無(wú)害性。

　　利用太陽(yáng)能作為能源，沒(méi)有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒(méi)有噪聲，不會(huì)污染環(huán)境，沒(méi)有公害，清潔干凈。

　　（3）長(zhǎng)久性。

　　只要有太陽(yáng)，就有太陽(yáng)能，因此太陽(yáng)能可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。

　?。?）巨大性。

　　一年內(nèi)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬(wàn)倍。

　　我國(guó)幅員遼闊，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。全國(guó)各地的年太陽(yáng)輻射總量3340．8400MJ／m2，中值為5852MJ／m2。年日照時(shí)數(shù)在2200小時(shí)以上的地區(qū)約占國(guó)土面積的2／3以上。我國(guó)的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等省，年日照時(shí)間長(zhǎng)，這些地區(qū)面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區(qū)傳統(tǒng)的供電設(shè)施建設(shè)成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當(dāng)?shù)卣浞掷锰?yáng)能發(fā)電解決無(wú)電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。為了更高效的利用太陽(yáng)能，白天可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將電能儲(chǔ)存起來(lái)，需要用電時(shí)即可由蓄電池供電。

　　總體看來(lái)我國(guó)太陽(yáng)能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽(yáng)能資源，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，可以節(jié)約能源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。

　　1.2 太陽(yáng)能充放電控制器現(xiàn)狀

　　（1）太陽(yáng)能光伏發(fā)電

　　太陽(yáng)能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢(shì)，所以世界各國(guó)都在努力研發(fā)新技術(shù)進(jìn)行獲取，比較成熟的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認(rèn)為是當(dāng)前世界最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個(gè)方面。

　　在進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電時(shí)，由于一般太陽(yáng)能極板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接將太陽(yáng)能極板應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯?chǔ)到一定的儲(chǔ)能設(shè)備中，如鉛酸蓄電池。但只有當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程中保持蓄電池沒(méi)有過(guò)充電，也沒(méi)有過(guò)放電，才能使蓄電池的使用壽命延長(zhǎng)，效率也得以提高，因此必須對(duì)工作過(guò)程加以研究分析而予以控制，這種情況下太陽(yáng)能充電控制器應(yīng)運(yùn)而生。

　?。?）充電控制器的作用及現(xiàn)狀

　　太陽(yáng)能充電控制器具備充電控制、過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、防反接保護(hù)及短路保護(hù)等一系列功能，解決了這一難題，這樣控制器在這個(gè)過(guò)程中起著樞紐作用，它控制太陽(yáng)能極板對(duì)蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。同時(shí)太陽(yáng)能充放電控制器還控制蓄電池對(duì)負(fù)載的供電，保護(hù)蓄電池和負(fù)載電路，避免蓄電池發(fā)生過(guò)放現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，控制器具有舉足輕重的作用。

　　市目前場(chǎng)上有各種各樣的太陽(yáng)能控制器，但這些控制器主要問(wèn)題對(duì)于蓄電池的保護(hù)不夠充分，不合適的充放電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。目前，控制器常用的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。但是這些方法由于充電方式單一加上控制策略不夠完善，都存在一定的局限性。另一方面，當(dāng)蓄電池給負(fù)載供電時(shí)，由于控制器不能時(shí)刻檢測(cè)蓄電池的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過(guò)放電，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池的深度放電，嚴(yán)重影響其壽命。

　　所以，如何改善太陽(yáng)充控制器的充放電方式，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的充放電控制器，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的效率，成為了一個(gè)重要的研究方面。

　　1.3 設(shè)計(jì)主要任務(wù)

　　本設(shè)計(jì)研究確定了一種基于STC單片機(jī)的太陽(yáng)能充放電控制器的方案，在太陽(yáng)能對(duì)蓄電池的充電方式、控制器的功能要求和電路保護(hù)方面做了分析，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的科學(xué)管理，并將充放電控制器應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈或其他負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了控制功能。這里以充/放電最大電流10A，額定電壓12V控制器系統(tǒng)為例，其實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。

　?。?）要能自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池 電壓，則可開(kāi)啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開(kāi)啟充電，否則蓄電池電流會(huì)反向流向太陽(yáng)能電池板而造成點(diǎn)亮損耗。

　?。?）當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時(shí)有報(bào)警功能；

　?。?）當(dāng)蓄電池電壓高于14.5V，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（過(guò)壓關(guān)斷）和充電電路，同時(shí)有報(bào)警功能。

　?。?）當(dāng)蓄電池處于浮充充電狀態(tài)時(shí)電壓值控制在13.5V左右。

　?。?）當(dāng)用戶將太陽(yáng)能電池板接反至控制器時(shí)，具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能；

　　（6）當(dāng)用戶將蓄電池接反至控制器時(shí)，要有報(bào)警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能。

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