太陽能充放電控制器設(shè)計

　　摘 要

　　太陽能光伏發(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)。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個方面，其核心部分就是充電控制器。

　　本設(shè)計針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充放電控制不合理，同時保護(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)的太陽能充電控制器的方案。在太陽能對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應(yīng)用方面做了一定分析，完成了硬件電路設(shè)計和軟件編制，實現(xiàn)了對蓄電池的高效率管理。

　　在總體方案的指導(dǎo)下，本設(shè)計使用低功耗、高性能，超強(qiáng)抗干擾的STC89C52單片機(jī)作為核心器件對整個電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件電路由太陽能電池充放電電路，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，主要實現(xiàn)對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，通過控制光電耦合器通斷進(jìn)而控制MOSFET管開啟和關(guān)閉，達(dá)到控制蓄電池充放電的目的，同時按照功能要求實現(xiàn)了對蓄電池過充、過放保護(hù)和短路保護(hù)。實驗表明，該控制器性能優(yōu)良，可靠性高，可以時刻監(jiān)視太陽能電池板和蓄電池狀態(tài)，實現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電，達(dá)到延長蓄電池的使用壽命。

　　關(guān)鍵詞： 充電控制器； 太陽能光伏發(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，能源問題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素擺在了人們面前。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)快速增長的需要，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的問題。同時，以煤、石油作為燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)已經(jīng)開始造成全球變暖，即“溫室效應(yīng)“，人類的生活將會由此受到很大的威脅。這些難題迫使政府和社會在發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。

　　新能源包括水能、風(fēng)能、太陽能等。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)場合進(jìn)行架設(shè)，架設(shè)成本較高。而太陽能則不同，任何自家用戶只要找到一個有陽光照射到的窗戶都可以裝置太陽能極板作輔助能源，幾百元投資便可以架設(shè)。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續(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：

　　（1）普遍性。

　　地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運(yùn)輸，容易獲取。

　　（2）無害性。

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

　　（3）長久性。

　　只要有太陽，就有太陽能，因此太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。

　　（4）巨大性。

　　一年內(nèi)到達(dá)地面的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。

　　我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽輻射總量3340．8400MJ／m2，中值為5852MJ／m2。年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2／3以上。我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等省，年日照時間長，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柲馨l(fā)電解決無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。為了更高效的利用太陽能，白天可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將電能儲存起來，需要用電時即可由蓄電池供電。

　　總體看來我國太陽能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽能資源，采用太陽能光伏發(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 太陽能充放電控制器現(xiàn)狀

　　（1）太陽能光伏發(fā)電

　　太陽能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢，所以世界各國都在努力研發(fā)新技術(shù)進(jìn)行獲取，比較成熟的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(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)。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個方面。

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

　　（2）充電控制器的作用及現(xiàn)狀

　　太陽能充電控制器具備充電控制、過充保護(hù)、過放保護(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，這樣控制器在這個過程中起著樞紐作用，它控制太陽能極板對蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長蓄電池的使用壽命。同時太陽能充放電控制器還控制蓄電池對負(fù)載的供電，保護(hù)蓄電池和負(fù)載電路，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，由此可見，控制器具有舉足輕重的作用。

　　市目前場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對于蓄電池的保護(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，由于控制器不能時刻檢測蓄電池的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過放電，將會導(dǎo)致蓄電池的深度放電，嚴(yán)重影響其壽命。

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

　　1.3 設(shè)計主要任務(wù)

　　本設(shè)計研究確定了一種基于STC單片機(jī)的太陽能充放電控制器的方案，在太陽能對蓄電池的充電方式、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)計和軟件編程，實現(xiàn)了對蓄電池的科學(xué)管理，并將充放電控制器應(yīng)用于太陽能路燈或其他負(fù)載，實現(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，其實現(xiàn)的主要功能如下。

　　（1）要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池 電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成點亮損耗。

　　（2）當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時，自動關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時有報警功能；

　　（3）當(dāng)蓄電池電壓高于14.5V，自動關(guān)斷負(fù)載（過壓關(guān)斷）和充電電路，同時有報警功能。

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

　　（5）當(dāng)用戶將太陽能電池板接反至控制器時，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，要有報警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能。

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