太陽能家用照明系統控制簡版

太陽能家用照明系統控的設計

【目錄】：摘要8-91緒論10-151.1.1課題研究的背景和意義1.2太陽能光伏發(fā)電利用的現狀11-131.2.1國外太陽能光伏發(fā)電利用狀況11-121.2.2國內太陽能光伏發(fā)電利用狀況12-131.3太陽能家用照明系統的發(fā)展趨勢132太陽能家用照明系統組件分析15-312.1太陽能家用照明系統主控制電路15-162.2光伏電池16-182.2.1光伏電池基本知識16-光伏電池的工作原理及特點162.3.2鉛酸蓄電池充放電原理18-192.4DC/DC控制電路20-262.5電路工作電源29-313太陽能家用照明系統控制器硬件參數設計31-37太陽能家用照明系統控制器軟件設計37-445結果與討論44-45【摘要】：太陽能家用照明系統由光伏電池組件、蓄電池、控制器和照明負載等主要器件組成。光伏電池組件將接收到太陽光能轉變電能儲存在蓄電池之中,控制器將根據用戶的需要控制蓄電池向照明負載供電或斷電,因此,控制器在太陽能家用照明系統有至關重要的作用。本課題設計了一種以STC12C5410AD核心的太陽能家用照明系統控制器。SG3525電路產生10KHz的PWM信號去驅動Buck電路,Buck電路將輸入直流電變換成穩(wěn)定的36V直流輸出,STC12C5410AD通過數據處理實現對對蓄電池的充電管理,并產生兩路方波控制逆變電路實現DC/AC逆變,將36V轉換成220V交流電輸出。其穩(wěn)壓功能是這樣實現的:220V交流電通過變壓、整流、濾波后作為電路的反饋電壓與SG3525內部提供的給定基準電壓進行比較,產生差值信號△Uk送SG3525進行處理,如果△Uk=0,說明此時輸出電壓滿足穩(wěn)壓要求,不需調整Buck電路;如果△Uk0,則說明要輸出電壓偏高,此時,SG3525將根據Buck電路Vo=TTonVi=DVi的特點,通過反饋電壓值降低PWM輸出的脈沖寬度,以減少開關管的占空比D,從而降低Buck電路輸出,直至與設定值相等;相反,則要增大開關管的占空比,使之穩(wěn)定。STC12C5410AD通過對蓄電池端電壓進行采樣值來確定蓄電池的工作狀態(tài),正常工作時綠燈亮;檢測到欠壓時,紅燈亮,報警器工作;檢測到過壓時,黃燈亮,報警器工作。為防止功率管被燒壞,三路PWM信號都有相應的驅動保護電路。本控制器還設計了欠壓保護功能。當STC12C5410AD檢測到電路欠壓故障時,發(fā)出一個低電平信號觸發(fā)光耦TLP521,使其導通后,SG3525管腳獲得一個高于2.5V電壓,關閉輸出的PWM信號,DC-DC停止工作;當檢測到電壓恢復正常時,由STC12C5410AD發(fā)出一個高電平信號觸發(fā)光耦TLP521,使其截止,SG3525管腳10被拉低,輸出的PWM信號重新開啟,DC-DC又恢復工作,以實現欠壓保護。此外,在光線不足的情況下,該控制器能夠接通市電,以保證照明設備正常供電?！娟P鍵詞】：光伏電池照明系統Buck電路STC12C5410ADSG3525

課題研究的背景和意義新能源是二十一世紀世界經濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。在新實際中，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。而光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護簡便等優(yōu)點，在我國西部廣袤嚴寒、地形多樣和居住分散的現實條件下，有著非常獨特的作。一、國內外太陽能利用概況1.l國外現狀常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)境壓力的增加，使世界上許多國家重新加強了對新能源和可再生能源技術發(fā)展的支持。近幾年，國際光伏發(fā)電迅猛發(fā)展。1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計劃；1980年又正式將光伏發(fā)電列入公共電力規(guī)劃，累計投資達8億多美元；1994年度的財政預算中，光伏發(fā)電的預算達7800多萬美元，比1993年增加了23．4％；1997年美國和歐洲相繼宣布"百萬屋頂光伏計劃"，美國計劃到2010年安裝1000～3000MW太陽電池。日本不甘落后，1997年補貼"屋頂光伏計劃"的經費高達9200萬美元，安裝目標是7600Mw。印度計劃1998－002年太陽電池總產量為150MW，其中2002年為50MW。國際光伏發(fā)電正在由邊遠農村和特殊應用向并網發(fā)電和與建筑結合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已由補充能源向替代能源過渡。到目前為止，世界太陽電池年銷售量己超過60兆瓦，電池轉換效率提高到15％以上，系統造價和發(fā)電成本已分別降至4美元/峰瓦和25美分/度電；在太陽熱利用方面，由于技術日趨成熟，應用規(guī)模越來越大，僅美國太陽能熱水器年銷售額就逾10億美元。太陽能熱發(fā)電在技術上也有所突破，目前已有20余座大型太陽能熱發(fā)電站正在運行或建設。1．2國內現狀煤炭巨量消費已成為我國大氣污染的主要來源。我國具有豐富的太陽能、風能、生物質能、地熱能和海洋能等新能源和可再生能源資源，開發(fā)利用前景廣闊。太陽能光伏發(fā)電應用始于70年代，真正快速發(fā)展是在80年代。在1983年一1987年短短的幾年內先后從美國、加拿大等國引進了七條太陽電池生產線，使我國太陽電池的生產能力從1984年以前的年產200千瓦躍到1988年的4．5兆瓦。目前太陽電池主要應用于通信系統和邊遠無電縣、無電鄉(xiāng)村、無電島嶼等邊遠偏辟無電地區(qū)，年銷售約1.1兆瓦，成效顯著。(1）建成了40多座縣、鄉(xiāng)級小型光伏電站，光伏電池總裝機容量約600kw，其中西藏最多，達450多kw；1998年10月建成我國最大的西藏那曲安多縣光伏電站的光伏電池裝機容量高達100kw。太陽能發(fā)電太陽能組件家用太陽能發(fā)電系統太陽能黃燈單晶硅太陽能電池板多晶硅太陽能電池板

光電發(fā)電能力1到10千瓦目標設施學校、醫(yī)院、公共會堂或私人住宅用途電視機、錄像機、電信設備、照明優(yōu)點●能夠優(yōu)先向公共建筑和電氣設施供電。

●便于收取以下費用:設施使用、食物存藏、充電和水。

●設施管理人員能夠同時控制系統運行。

●能夠顯著提高生活水平。1600Wp家用/辦公太陽能發(fā)電系統設計負載電器名稱規(guī)格型號耗電功率數量每日工作時間日耗電量照明節(jié)能燈11W86528Wh電腦液晶顯示100W251000Wh打印機激光250W11250Wh傳真機噴墨150W12150Wh電冰箱150L100W124800Wh洗衣機

300W

0.5150Wh微波爐

1000W111000Wh衛(wèi)星電視接收機/VCD

25W16150Wh彩色電視21寸95W16570Wh水泵

400W11100Wh總計

2600W

4698Wh設備配置：

太陽電池組件：1600Wp；

免維護蓄電池：400AH/48V；

逆變器：3000W；

充電控制器：30A。

安裝方式：可上門安裝或提供圖紙

可以連續(xù)工作三個陰雨天2400Wp家用/辦公太陽能發(fā)電系統設計負載電器名稱規(guī)格型號耗電功率數量每日工作時間日耗電量照明節(jié)能燈11W86528Wh電腦液晶顯示100W251000Wh打印機激光250W11250Wh傳真機噴墨150W12150Wh電冰箱150L100W124800Wh洗衣機

300W10.5150Wh微波爐

1000W111000Wh空調1.5匹1200W153000Wh衛(wèi)星電視接收機/VCD

25W16150Wh彩色電視21寸95W16570Wh水泵

400W11100Wh總計

3800W

7698Wh2.2光伏電池

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應原理工作的太陽能電池則還處于萌芽階段。太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴--電子對。在p-n結電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。

光伏電池介紹：

太陽能光伏電池（簡稱光伏電池）用于把太陽的光能直接轉化為電能。目前地面光伏系統大量使用的是以硅為基底的硅太陽能電池，可分為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率低，但價格更便宜。

按照應用需求，太陽能電池經過一定的組合，達到一定的額定輸出功率和輸出的電壓的一組光伏電池，叫光伏組件。根據光伏電站大小和規(guī)模，由光伏組件可組成各種大小不同的陣列。

本公司光伏組件，采用高效率單晶硅或多晶硅光伏電池、高透光率鋼化玻璃、Tedlar、抗腐蝕鋁合多邊框等材料，使用先進的真空層壓工藝及脈沖焊接工藝制造。即使在最嚴酷的環(huán)境中也能保證長的使用壽命。

組件的安裝架設十分方便。組件的北面安裝有一個防水接線盒，通過它可以十分方便地與外電路連接。對每一塊太陽電池組件，都保證20年以上的使用壽命。2.3.2鉛酸蓄電池充放電原理鉛酸蓄電池的工作原理

1、鉛酸蓄電池電動勢的產生

鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質--氫氧化鉛（Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（Pb4）留在正極板上，故正極板上缺少電子。

鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應，變成鉛離子（Pb2），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）。

可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，如右圖所示，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。

2、鉛酸蓄電池放電過程的電化反應鉛酸蓄電池放電時，在蓄電池的電位差作用下，負極板上的電子經負載進入正極板形成電流I。同時在電池內部進行化學反應。

負極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（Pb2）與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。

正極板的鉛離子（Pb4）得到來自負極的兩個電子（2e）后，變成二價鉛離子（Pb2），，與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板水解出的氧離子（O-2）與電解液中的氫離子（H）反應，生成穩(wěn)定物質水。

電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負極，在電池內部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。

放電時H2SO4濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。

3、鉛酸蓄電池充電過程的電化反應

充電時，應在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，并把外界的電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。

在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2）和硫酸根負離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價鉛離子（Pb2）不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子（Pb4），并與水繼續(xù)反應，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。

在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2）和硫酸根負離子（SO4-2），由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb2）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負極板上。

電解液中，正極不斷產生游離的氫離子（H）和硫酸根離子（SO4-2），負極不斷產生硫酸根離子（SO4-2），在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。

充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應。

4、鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化

從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降。

從上面可以看出，鉛酸蓄電池充電時，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。

實際工作中，可以根據電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。3太陽能家用照明系統控制器硬件參數設計31-372硬件電路組成及工作原理2.1系統硬件結構太陽能路燈智能控制器系統硬件結構如圖1所示,該系統以STCl2C5410AD單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽光線強弱的識別以及蓄電池電壓的獲取。單片機的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式等參數的設置。2.2STCl2C5410AD單片機STCl2C5410AD是STCl2系列單片機，采用RISC型CPU內核，兼容普通8051指令集，片內含有10KBFlash程序存儲器，2KBFlash數據存儲器，512BRAM數據存儲器。同時內部還有看門狗(WDT)；片內集成MAX810專用復位電路、8通道10位ADC以及4通道：PWM；具有可編程的8級中斷源4種優(yōu)先級，具有在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)，片內資源豐富、集成度高、使用方便。STCl2C5410AD對系統的工作進行實施調度,實現外部輸入參數的設置、蓄電池及負載的管理、工作狀態(tài)的指示等。為充分使用片內資源，本文所設置的參數寫入Flash數據存儲器內。2.3鍵盤電路P3.4(TO)接F1鍵，用于設置狀態(tài)的識別及參數設置；P3.5(T1)接F2鍵，用于自檢及"加1"功能，根據程序流程，分別實現不同功能。2.4電壓采集與電池管理太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強弱的判斷，因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時本系統支持太陽能板反接、反充保護。蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路?？刂破鲗㈥P斷負載，以保證負載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓(15V)時，自動關斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓(13.2V)時，蓄電池進入浮充狀態(tài)，當低于維護電壓(13.2V)后浮充關閉，進入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓(11V)時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路(智能三階段充電)，可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統充電效率。本系統支持蓄電池的反接、過充、過放。2.5負載輸出控制與檢測電路本系統設計了兩路負載輸出，每路輸出均有獨立的控制和檢測，具有完善的過流、短路保護措施,電路原理如圖2所示。設計了兩級保護：第一級采用了由R7(0.01Ω康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路，配合單片機的A/D轉換及外部中斷響應來實現負載過流及短路保護，是一種硬件+軟件的方式，LM358的輸出送PL.7(A/D轉換)口，用作過流信號識別，當電流超過額定電流20％并維持30s以上時，確認為過流；短路電流整定為10A，響應時間為毫秒數量級。第二級采用了電子保險絲保護，當流經電子保險絲的電流驟然增加時，溫度隨之上升。其電阻大大增加，工作電流大大降低，達到保護電路目的，響應時間為秒數量級，過流撤消或短路恢復后電子保險絲恢復成低阻抗導體，無須任何人為更換或維修。系統采用了兩級保護措施后，在長達數小時的負載短路實驗后，控制器仍沒出現電路燒毀現象。解決了用傳統保險絲只能對電路進行一次性保護以及一旦器件燒毀必須人為更換的問題，同短路后需手動復位或斷電后重新開啟的系統相比，也具有明顯的優(yōu)點。簡化了太陽能路燈控制器維護，提高了系統的安全性能。硬件設計過程中的注意事項(1)感應雷保護電路應設計在太陽能電池板引線入口處，保護電路周圍4mm內不能布置其他器件。(2)防止太陽能電池板反接的二極管必須采用快恢復二極管，這種二極管導通內阻小，充電時發(fā)熱量小，不用散熱器也可以連續(xù)充電，充電效果好。(3)充電、負載放電電路的印刷線路寬度至少為4mm～5mm，線路上用搪錫處理以增加過電流能力，大電流導線從一層過渡到另一層時，要放置3～5個過孔。(4)過流、短路保護電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降，本系統選用電阻為0.01Ω，過電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻，來產生取樣電壓，取樣電壓最多不超過0.2V，故采用運放LM358對其進行放大。(5)器件的布局和PCB的布線采用模塊化方式，大電流信號與小電流信號要分離，對放大電路的線路尤其要精心布置。數字地和模擬地分開，注意電源線和地線的布局。3系統軟件設計與本設計方案的硬件電路對應的軟件程序包括：主程序、定時中斷程序、A/D轉換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負載管理子程序。單片機的軟件編程以KeilC編譯器的Windows集成開發(fā)環(huán)境μvision2作為開發(fā)平臺，采用C51高級語言編寫。3.1軟件編程要點(1)本系統采用較少的按鍵實現了諸多功能，如負載工作模式的設置、雙燈同時工作還是分時工作、負載工作時間的設定、自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復雜的人機對話的設計。其思路可參見按鍵處理流程圖。(2)鍵盤在定時中斷服務程序中讀取，用中斷間隔時間實現鍵盤的去抖，不必編寫另外的延時程序，提高了CPU的利用效率。鍵盤值存入數據緩沖區(qū)，在主程序中讀數據緩沖區(qū)的內容，執(zhí)行鍵盤功能散轉子程序。(3)環(huán)境光線(閃電、禮花燃放)對太陽能電池板的采樣電壓有明顯影響，故在白天、黃昏的識別時。要進行軟件延時，一般控制在2～3min。(4)外部中斷為高優(yōu)先級中斷，編制子程序實現負載過流、短路保護時，要充分考慮到負載啟動瞬間會產生數倍于額定電流的沖擊電流．沖擊電流維持時間在3ms～5ms，應在軟件上采取措施，避免短路與負載開啟的誤判。確定負載過流、短路后，切斷負載輸出。負載切斷后，每隔一段時間，如20s，應試接通負載開關，當發(fā)現過流、短路信號已消除，則恢復負載的輸出。否則負載開關仍然保持斷開。(5)為保護負載(燈具)，蓄電池過放保護恢復時應用軟件設置一個回差電壓，這樣負載開關不會出現顫抖現象，有利于延長燈具的使用壽命。(6)根據STC12C5410AD的DataFlash的特點，數據寫入時必須啟動ISP/IAP命令，CPU等待IAP動作定時后，才繼續(xù)執(zhí)行程序，要先關斷中斷(EA)。還應注意數據寫入DataFlash存儲器，不能跨越扇區(qū)。3.2單片機軟件編程系統單片機軟件流程如圖3、4所示。4結束語參考文獻:

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