太阳能路灯控制器设计课程设计

太阳能路灯控制器设计课程设计

太阳能路灯控制器设计

摘要

为了提高太阳能光伏控制器的性价比，设计了运用单片机的太阳能光伏控制器。本控制器具有效率高、可靠性高、运行稳定、性价比高、适宜批量生产的特点。控制器实现了基于单片机PIC16F711的工作状态控制和蓄电池能量管理，满足了太阳能光伏控制器在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求。蓄电池充放电精确控制也在此控制器中得到实现。实验结果表明，应用此控制器的太阳能光伏系统效率高、运行稳定，蓄电池寿命也可延长。

关键词：太阳能，单片机，充放电电路，锂蓄电池

1 绪论

1.1 课题背景

能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仪表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对牛态环境的污染破坏：大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨。而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。

光伏发电具有取之不尽且无污染等优点，日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。光伏发电的照明路灯应月J具有节能性、经济性和实川性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。本课题为研制一套独立光伏电源控制器，廊州于LED路灯照明系统。通常独立照明系统由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。由于系统的稳定性严格受到蓄电池和LED寿命的影响，本课题研制的充放电控制器通过实时监测系统允放电回路的相关信息，确定相应的允放电策略，实现了稳定太阳能电池输出、优化蓄电池充电方法和保护蓄电池及负载的目的，最终提高了太阳能电池的利用率和整个照明系统的可靠性。

1.2 设计指标

本设计的设计要求指标如下:

1、锂蓄电池电压的检测

2、锂蓄电池电流的检测

3、充放电控制电路的检测

4、路灯的电量控制

1.3 设计思路

本文设计了一种基于单片机的太阳能路灯控制器。采用PWM 脉冲调制控制保护技术。充放电控制器是太阳能路灯的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省却硬件补偿的费用，降低了成本。由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定何效地运行。

同时设计MPPT控制器，MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。理论上讲，

使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。

2 方案选择及单元电路的设计

2.1 方案选择及方框图

2.1.1 方案选择

由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。更好的保护了锂电池。延长整个太阳能路灯系统的使用年限。

2.1.2 方框图

太阳能路灯充放电控制器的电路框图2-1所示。太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。锂蓄电池放电同样通过通过控制器来控制LED照明电路。

图2-1 单片机作为太阳能路灯控制系统的核心。太阳能控制器设计的好坏关系到整个系统能否正常运行。控制器的核心是PICl6F711。它是目前世界上片内集成

外围模块最多、功能最的单片机品种之一，是高性能的8位单片机。它采用哈佛总线结构和RISC技术，指令执行效率高．功耗极低．带有FLASH程序存储器，配置有5个端口33个双向输入输出引脚，这些引脚大部分有第二、第三功能．内嵌8个10位数字量精度的AD转换器，配有2个可实现脉宽涮制波形输出的CCP模块。控制器主要的工作是白天实现太阳能电池板对蓄电池充电的控制。晚上实现蓄电池对负载放电的控制。

2.2 部分单元电路的原理

2.2.1太阳能电池

（1）太阳能电池的种类

太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50伏，一般不能单独作为电源使用。将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了大阳能电池方阵。它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。目前世界上有三种己经商品化的硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

（2）太阳能电池的保护

光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件(俗称太阳能板)的保护。这种保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。机械化学方面的保护是指在封装及安装太阳能板的时候要考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力电方面的太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量。被屏蔽的太阳能电池组件将发热，这叫热斑效应。为了防止太阳能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，其作用是避免由于太