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25.2%，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。

图1- 1 光伏系统组成框图在系统中，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1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。

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ATmega48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PWM充电控制法，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。

23第2章 光伏照明控制系统的总体设计方案2.1 充电方法的选择一般情况下，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- 2 恒流充电电路图2- 1 最佳充电曲线图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。

图2- 4 二阶段法曲线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，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。

45图2- 5 恒压充电电路2.1.4 脉冲式充电法（PWM 充电控制法）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。

[3]图2- 7 脉冲式充电曲线图2- 6 恒压充电曲线充电方法无法比拟的优点。

所以采用PWM充电控制法，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/cm2一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6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-12AH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单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PWM充电主电路，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10W的白炽灯。

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PWM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。

7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VRLA电池是全密封的，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VRLA电池又叫做密闭（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VRLA电池从结构上来看，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铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”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。

8VRLA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(以下简称胶体密封铅蓄电池)，它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的。