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1、基于单片机的太阳能控制器设计 第 31 页 共 32 页基于单片机的太阳能控制器设计作者：朱庆丰 指导教师：马德贵（安徽农业大学工学院 09电气工程及其自动化专业 合肥 230036）摘要：传统能源消耗殆尽，低碳的生活模式深入人心，开发新能源迫在眉睫，太阳能的研究与使用的重要性不说自明。世界各地大型光伏电站的投建，为人类提供了一种新的能源解决方案。另外，小型的离网系统由于其具有简单灵活的特点，在未来也必定会成为光伏发电举足轻重的一个领域，所以研究离网型的太阳能充放电系统也很有必要。本文设计的是基于单片机的光伏蓄电池的充放电控制器，单片机采用STC89C52，蓄电池采用铅酸蓄电池。本文从研究PV
2、阵列在不同状态下的发电功率入手，结合铅酸蓄电池本身的充放电原理，意在使PV阵列最大效率转化太阳能、使蓄电池安全合理地充放电、使负载稳定可靠地工作。关键词：STC89C52；CN3717；铅酸蓄电池；充放电；1 引言随着地球资源的日益贫乏，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、洁净的新能源，正被广泛地应用。控制器是太阳能路灯照明系统 的核心部件，其功能的好坏直接影响着太阳能路灯的使用寿命。为适应不同场合和各种负载的应用需要，本设计利用STC89C52单片机AD采样获得数据对蓄电池充电过程进行监控，由单片机内部的PWM输出控制恒流、恒压和浮充三段式充电，并通过发光二极管显示各状态。恒流充电阶
3、段为大电流恒流充电，电流值I因蓄电池容量而异，一般为I=01C(C为蓄电池组的容量)。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止。恒压充电阶段则保持充电电压148V不变，当充电电流下降到恒流充电状态下电流的1lO时终止恒压充电。电池处于浮充电阶段时电压始终保持在108V，主要用于补充蓄电池自放电消耗的能量，浮充的开始标志着恒压充电状态的结束。本次设计采用STC89C52单片机实现太阳能电池板对蓄电池的充放电控制，用到了上海如韵电子设计的一款针对铅酸电池的光伏充放电控制芯片CN3717，模块化的芯片设计不仅简化了开发的复杂程度，而且使得功能实现更加稳定。本次
4、设计所要解决的问题主要是离网型光伏发电过程中蓄电池的充放电的控制问题，对于提高光伏发电利用率和蓄电池的保护起到重要作用，从而在某种意义上对推广新能源起到积极的推动作用，帮助人类更有效地利用清洁能源和早日摆脱能源危机。2 系统总体设计系统设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又可分为PV阵列电气连接部分，单片机的外围电路，CN3717的典型应用电路图。该设计的系统总体框图如下图1所示：图1 系统总体框图3.系统硬件电路设计3.1 PV板特性与等效电路太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为2025m
5、A/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组合安装在支架上，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 (见图2)。（1）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳能电池的工作原理如下：光是
6、由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。图2 太阳能电池单体、组件和方阵将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。（2）硅太阳
7、能电池种类目前世界上有3种已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。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源
8、，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 1315 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 1113 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 58 %（3）太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池
9、组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为特性曲线，如图3所示。特性曲线可根据图13所示的电路装置进行测量。特性曲线显
10、示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即PVI 。I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压图3 太阳能电池的电流电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，
11、并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为0.4%/C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出
12、功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2大气质量系数 AM1.5太阳电池温度25在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的
13、误差很容易达到10或更大。如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。PV（光伏）阵列发电时的等效电路图图4PV阵列发电时的等效简化电路3.2 铅酸蓄
14、电池的特点及选型 目前光伏系统大多采用蓄电池作为贮能元件.而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类有很多,目 前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池,普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池等.目前常使用的是铅酸免维护 蓄电池, 因其维护方便, 性能可靠, 且对环境污染较小, 特别是用于无人值守的光伏电站时如图1, 有着其他蓄电池所无法比拟的优越性. 本文以光伏系统中的铅酸免维护蓄电池12V,12AH为例进行实验比较不同的充电检测方法. 1 关于蓄电池的充放电 蓄电池充放电是根据化学反应进行的,即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深度的变化. 所以与一般电子零部件相比,蓄电池对温度变化更为敏感.此外,反应速率,
15、即充电电流或放电电流, 影响反应参数并由此影响蓄电池的性能. 光伏系统中的蓄电池的工作条件与蓄电池在其他场合的工作条件不同,其充电率和放电率都非常 小,且充电时间受到限制,即只有在日照时才能充电,所以不能按一固定的充电规律对其进行充电.由 于蓄电池应用在这个特殊的环境下,致使其寿命比所预定的短,成为整个光伏系统中最易损坏的部分, 其损坏的原因主要为过充与过放. 过充是指蓄电池单格电压超过某一水平一般为2.35V/单格2.40V/单格,此时蓄 电池无法使产生的氧气充分再化合.充电电压过高,在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收,在电池中因积累而产生压力并且导致水份损失.严重过充时,水分解,产生氢气和氧气,使得蓄电池底部浓度 比其他地方高出许多,导致负极板底部硫酸盐化,正极板腐蚀和膨胀,造成容量损失. 过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压如图2,蓄电池放出了过量的容量.在铅酸蓄 电池中,两个电极对过放都是敏感的.在溶解再沉积机理中,当铅Pb和二氧化铅PbO2分 别溶解在电解液中并作为新的化合物硫酸铅PbS04沉淀出来时, 活性物质发生了彻底的转变并 且失去原有的结构.负电极由于有反极的危险,对过放也是敏感的.活性物质中的膨胀剂可能会因氧化 而失去作用,而铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加. 在设计光伏系统时需要对蓄电池的容量进行
