太陽能充放電控制器設計

　　摘 要

　　太陽能光伏發電現已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認為是當前世界最有發展前景的新能源技術。目前太陽能光伏發電裝置已廣泛應用于通訊，交通，電力等各個方面，其核心部分就是充電控制器。

　　本設計針對目前市場上傳統充電控制器對蓄電池的充放電控制不合理，同時保護也不夠充分，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用方面做了一定分析，完成了硬件電路設計和軟件編制，實現了對蓄電池的高效率管理。

　　在總體方案的指導下，本設計使用低功耗、高性能，超強抗干擾的STC89C52單片機作為核心器件對整個電路進行控制。系統硬件電路由太陽能電池充放電電路，電壓采集和顯示電路，單片機控制電路和RS232串口通信電路組成，主要實現對蓄電池電壓的采集和顯示。軟件部分依據PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調制控制策略，編制程序使單片機輸出PWM控制信號，通過控制光電耦合器通斷進而控制MOSFET管開啟和關閉，達到控制蓄電池充放電的目的，同時按照功能要求實現了對蓄電池過充、過放保護和短路保護。實驗表明，該控制器性能優良，可靠性高，可以時刻監視太陽能電池板和蓄電池狀態，實現控制蓄電池最優充放電，達到延長蓄電池的使用壽命。

　　關鍵詞： 充電控制器； 太陽能光伏發電； PWM脈寬調制；

　　1 緒論

　　1.1 課題研究背景和意義

　　能源資源是國民經濟發展的重要基礎之一，隨著人民生活水平的不斷提高和科學技術的迅速發展，能源的缺口增大，能源問題作為困擾人類長期穩定發展的一大因素擺在了人們面前。伴隨著世界能源危機的日益嚴重，石油價格不斷上漲，利用常規能源已經不能適應世界經濟快速增長的需要，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生的有害物質已經開始造成全球變暖，即“溫室效應“，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展常規能源的同時必須加大對新能源的開發和利用。

　　新能源包括水能、風能、太陽能等。雖然風能或水能等更加便宜，但是大多數的自家用戶卻都不可能找到適當場合進行架設，架設成本較高。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。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續發展戰略的理想綠色能源，全球能源專家也認為，太陽能將成為21世紀最重要也最有前景的能源之一。

　　而且太陽輻射能與煤炭、石油等常規能源相比較，更有如下的優點：

　　（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。

　　一年內到達地面的太陽輻射能總量要比現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。年日照時數在2200小時以上的地區約占國土面積的2／3以上。我國的西部地區，包括西藏、新疆、青海、內蒙古等省，年日照時間長，這些地區面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區傳統的供電設施建設成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當地政府充分利用太陽能發電解決無電地區的用電具有重大的戰略意義。為了更高效的利用太陽能，白天可將太陽能轉化為電能，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，采用太陽能光伏發電技術，可以節約能源，發展經濟，提高人民生活水平。

　　1.2 太陽能充放電控制器現狀

　　（1）太陽能光伏發電

　　太陽能作為新能源有著巨大的優勢，所以世界各國都在努力研發新技術進行獲取，比較成熟的是太陽能光伏發電技術。太陽能光伏發電現已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認為是當前世界最有發展前景的新能源技術。目前太陽能光伏發電裝置已廣泛應用于通訊，交通，電力等各個方面。

　　在進行太陽能光伏發電時，由于一般太陽能極板輸出電壓不穩定，不能直接將太陽能極板應用于負載，需要將太陽能轉變為電能后存儲到一定的儲能設備中，如鉛酸蓄電池。但只有當太陽能光伏發電系統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運而生。

　　（2）充電控制器的作用及現狀

　　太陽能充電控制器具備充電控制、過充保護、過放保護、防反接保護及短路保護等一系列功能，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載的供電，保護蓄電池和負載電路，避免蓄電池發生過放現象，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不夠充分，不合適的充放電方式容易導致蓄電池的損壞，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，當蓄電池給負載供電時，由于控制器不能時刻檢測蓄電池的電壓，這樣很容易發生蓄電池的過放電，將會導致蓄電池的深度放電，嚴重影響其壽命。

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

　　1.3 設計主要任務

　　本設計研究確定了一種基于STC單片機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方面做了分析，完成了系統硬件電路設計和軟件編程，實現了對蓄電池的科學管理，并將充放電控制器應用于太陽能路燈或其他負載，實現了控制功能。這里以充/放電最大電流10A，額定電壓12V控制器系統為例，其實現的主要功能如下。

　　（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）當蓄電池電壓低于10.8V時，自動關斷負載（欠壓關斷），同時有報警功能；

　　（3）當蓄電池電壓高于14.5V，自動關斷負載（過壓關斷）和充電電路，同時有報警功能。

　　（4）當蓄電池處于浮充充電狀態時電壓值控制在13.5V左右。

　　（5）當用戶將太陽能電池板接反至控制器時，具有保護控制器不被毀壞的功能；

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

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