毕业设计（论文）单片机控制的太阳能充电器(硬件)

中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号： 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 单片机控制的太阳能充电器（硬件） 专 题： 指导教师： XXX 职 称： 副教授 2009年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 信电学院 专业年级电气工程与自动化2005-1 学生姓名XXX 任务下达日期：2009 年 2 月 16 日毕业设计日期：2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 20 日毕业设计题目：单片机控制的太阳能充电器（硬件） 毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：（1）主观上能以认真的态度对待毕业设计；（2）能积极主动与教师联系；（3）具有较强的动手能力；（4）掌握太阳能电池板的工作原理和蓄电池充电方法；（5）掌握51系列单片机的使用；（6）完成Protel制作的单片机控制的太阳能充电器的原理图；（7）完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000汉字；（8）完成毕业设计论文。院长签字： 指导教师签字：摘 要在污染和能源口趋紧张的背景下，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视。本文试图设计一种切实可行的太阳能充电控制器，通过对蓄电池充电，满足小功率的用户需求。本文重点研究了用AT89S52实现太阳能充电控制技术。详细介绍了100瓦太阳能电池板向12伏蓄电池充电的太阳能控制器硬件系统，包括系统的硬件电路设计、各部分电路的功能、工作原理和电子元器件型号的选取。硬件系统由直流稳压电源电路，A/D实现对蓄电池端电压的动态监测及转换、AT89S52控制以及输出继电器开关电路四个部分组成，完成了整个太阳能充电控制器电路原理图的设计和制作。用PROTEUS仿真软件进行了电路仿真，并且制作了相应的电路板。但是由于时间关系，没能完成实物的实验测试。本文还对太阳能电池的结构原理、太阳能电池板的伏安特性、常用的铅酸蓄电池原理及工作情况作了详细介绍，并在此基础上介绍常用的蓄电池充电方法。关键词：太阳能； 蓄电池； 充电控制； AT89S52； ADC0809ABSTRACTAgainst the background of energy shortage and its pollution, solar energy as a new kind of energy has a lot of advantages such as large reserves, economic, cleanliness and so on. So, people begin to pay more attention to the use of solar energy. The paper designs a feasible solar energy charging controller and storage batteries are charged to meet the needs of low-power users.This article focuses on the use of single-chip realization of solar charge control technology. 100-watt solar panels to 12-volt solar battery charge controller hardware system is detailed, including system hardware circuit design, the various parts of the circuit functions, working principles and models of selected electronic components. Hardware system is composed of four parts, which are DC regulated power supply circuit, A / D to achieve on the battery terminal voltage of the dynamic monitoring and conversion, AT89S52 relay control and output switching circuit. And finish the entire solar charge controller circuit schematic design and production. PROTEUS simulation with circuit simulation software was accomplished, and a corresponding circuit board was produced. However, due to time constraints, failed to complete the kind of experimental test.In this paper, also the structure of the principle of solar cells, solar panels of the Volta metric characteristics of lead-acid batteries commonly used in the work of principle was detailed, and the basis of methods commonly used on rechargeable batteries was introduced.Key words: solar; battery; charge control; AT89S52; ADC0809ii目 录摘 要iABSTRACTii1 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 当前面临的能源和环境问题11.1.2 太阳能的开发和利用21.1.3 光伏发电的特点31.2 蓄电池充电系统31.2.1充电器的发展及其简单的类型31.2.2 太阳能充电器41.3 本课题研究的主要内容52 太阳能电池的研究和分析62.1 太阳能电池的原理62.2 太阳能电池的分类62.3 太阳能电池的等效电路72.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素82.4.1光伏电池的主要参数82.4.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响102.4.3 温度对光伏电池输出特性的影响102.4.4 本系统所采用的光伏电池112.5 本章小结123 蓄电池133.1 蓄电池的概念及其一般特性133.1.1 电池的定义133.1.2 主要参数指标133.1.3 充放电特性153.2 铅酸蓄电池163.2.1 铅酸蓄电池的电极反应173.2.2 铅酸蓄电池的充放电特性183.3 太阳能-蓄电池充电技术研究203.3.1 恒流充电203.3.2 恒压充电213.3.3 恒压限流充电223.3.4 两阶段、三阶段充电223.3.5 快速充电223.3.6 智能充电233.4 本章小结234 太阳能充电控制器的研究及设计244.1太阳能充电器原理244.1.1 主控芯片的设计244.1.2 模数转换模块ADC0809简介284.1.3 电源模块的设计304.1.4 分频器的设计304.1.5 外围电路的设计304.1.6 ADC0809与AT89S52接口324.1.7 74LS00334.2 单片机的防干扰技术354.2.1 干扰分析354.2.2 硬件抗干扰方法364.3 系统的软件设计概述374.4 本章小结395 结论405.1 全文工作总结405.2 进一步工作设想40致 谢42参考文献43翻译部分45中文译文45英文原文53第61页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1 绪论1.1 课题研究背景1.1.1 当前面临的能源和环境问题1,2,3,4能源犹如人体的血液。能量以电的形式出现，是现代社会文明的重要标志和基础，“电力技术是通向可持续发展的桥梁”这个论断已经成为共识。人们总是尽可能把一次能源转换为电能使用，电力在终端能源中的比例正在不断提高。但是随着电能利用比例的提高，也带来了很多的问题。一方面，用于发电的传统一次能源如煤、石油等的储藏量有限。随着经济的发展、人口的增加，目前人类所利用的石油、天然气和煤炭等化石能源正在逐步消耗，能源危机已经展现在人类面前。根据目前所探明的储量和消费量计算，石油可用40多年，天然气可用60多年，煤可用200年左右。中国的能源资源储量情况更是危机逼人，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。国家1999年政府白皮书估计，目前我国石油可供开采20年；天然气可供开采60年；煤炭剩余量稍显富裕，但可供开采不足百年。而且随着科技的进一步发展、人口的持续增长等，整个世界面临着能源需求量成倍增长的挑战。另一方面，成倍的能源供应的背后蕴藏着巨大的危害，并且其影响越来越大，这就是由此带来的环境问题。当前，化石燃料的燃烧已经给人们的生活环境带来严重的挑战：大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，由此带来的直接灾难就是酸雨，在严重被污染的大气中人类和其他生物的健康遭受着痛苦的折磨；大量碳化物的燃烧使得大气中的二氧化碳浓度持续增加，温室效应越趋明显，并且这种势头正在延续，由此带来的直接灾难就是大气变暖、水平面上升等。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。如不采取积极措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。因此，无论是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不竭而又没有公害的新能源己是势在必行。由此在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。因此节约能源、发展清洁干净的新能源和再生能源是势在必行的。1.1.2 太阳能的开发和利用4,5,6,7,8,正如上面所说的一样，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，传统能源(如煤、石油、天然气等)的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。在未来的一段时间内，可再生能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。其中，可再生能源主要有以下几个方面： 太阳能：据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍。 氢能源：利用自然界大量存在的水，由电解水产生氢，或者由太阳能光催化水分解氢。 风力发电、小水电与潮汐发电：可提供可观的电力。 生物能：包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等。这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的。 核能：与传统能源的发电厂相比，核能的利用率较高，对环境的污染小，并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本，而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点： 存储量巨大：太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是W，是极其巨大的。其中到达地球的能量高达KW，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为KW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为W，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。 取之不尽，不需要开采和运输。 清洁无污染，无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。1.1.3 光伏发电的特点10,17,40,43太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而具有热利用不可比拟的优势。太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势： 是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单； 利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行； 可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源； 接近负载中心，减少电网的线损； 发电的效率不随发电规模的大小而变； 就地可去，无需运输。光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。1.2 蓄电池充电系统27311.2.1充电器的发展及其简单的类型充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段： 限流限压式充电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。 恒流/限压式充电器这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。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。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。 自适应智能充电器随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。充电器的发展经历了三个阶段，相应的就出现了各种类型的充电器，以下就是一些简单的充电器类型：普通型充电器 这是最基本和最常用的一种简单型充电器，实际上就是一个变压器降压、二级管整流电路；可调型充电器 简单地说就是电池充电可调节，它是根据充电电池的电压来调节充电的方式；自动型充电器 顾名思义就是可以实现充电自动化的装置，它分为全自动型和半自动型，大多都可以进行软件编程，通过为处理起来实现特定的功能；多功能型充电器 就是可是实现多种功能的充电器，它的作用不仅仅局限于充电了，比如稳压充电器、恒流-恒压充电器，具有自检功能的充电器、具有停电记忆充电器、带放电功能的充电器等等；还有其他许多的充电器，比如快速型充电器、恒流型充电器、太阳能充电器，都是在充电器发展的过程中逐渐产生的。1.2.2 太阳能充电器太阳能充电器与市面上的一般市电充电器相比有好多不相同的地方。一般的市电充电器都是在引出来电网电压之后先进行降压处理，再通过整流装置给各种蓄电池充电，这种充电器的优点就是当市电稳定时它可以提供稳定的充电平台。太阳能充电器由太阳能电池组件或者一些其他的光伏装置供电，输入电压一般都比较低，所以给蓄电池充电时可以直接连接蓄电池或者增加一级升压装置。另外，太阳能充电器可以很方便的携带，这样它在一些比较恶劣的环境下也能够提供充电作用。因此，太阳能充电器有着很大的发展前景。在简单的了解了太阳能充电器与一般市电充电器的差别，但是无论在细节上有多大的差别，其总体设计思路是一样的：都是电源供电、充电控制、蓄电池和负载这几部分构成，图1-1就表示了太阳能充电控制器的整体结构。图1-1 单片机控制太阳能充电器的结构1.3 本课题研究的主要内容 分析太阳能电池板和蓄电池的特性。 根据太阳能电池输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充电控制方法。 设计充电控制系统的外围电路。 编写单片机的执行程序。 调试、实验硬件电路，保证可以实现既定功能。2 太阳能电池的研究和分析2.1 太阳能电池的原理8,9太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。2.2 太阳能电池的分类9,13,14目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为： 硅太阳能电池； 以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池； 功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池； 纳米晶太阳能电池等。这里采用的是硅太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术.开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。2.3 太阳能电池的等效电路17,20,45光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-1表示的等效电路来考虑。图2-1理想状态的太阳能电池等效电路图在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。 (2-1)当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压 (2-2)其中I为电池单元输出电流；为PN结电流(A)；为二极管的反向饱和电流(A)；为外加电压(V)；q是单位电荷(库仑)；K是玻耳兹曼常数()；是绝对温度()；n为二极管指数。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻来等效表示。此时的等效电路可根据图2-2来描述，其伏安特性可由2-2式给出。图2-2 实际光伏电池等效电路 (2-3)此式叫做光伏电池的超越方程式。2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素12,13,42,44光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。2.4.1光伏电池的主要参数光伏电池的几个重要技术： 短路电流：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 开路电压：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 最大功率点电流()：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 最大功率点电压()：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 最大输出功率()：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。 填充因子 (2-4) 光伏电池的转换效率：输出功率与阳光投射到电池表面上的功率之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率，。以上各个参数可以在图2-3中表示如下：图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线图2-3中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流为最佳工作电流，为最佳工作电压，为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点，从而求出最大输出功率：。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式2.3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-4可表示太阳能电池的P-V曲线。图2-4太阳能电池的P-V特性曲线从图2.3可见，和的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么和乘积就等于和的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，填充因子FF定义为式2-4。它表示最大输出功率的值所占的以和为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。2.4.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图2-5、图2-6分别是太阳能电池阵列在温度为25时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-5可知，太阳能电池阵列的输出短路电流()和最大功率点电流()随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2-3)中强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-6中虚线与各实线的交点所示。图2-5不同日照下的I-V关系曲线图 图2-6不同日照下的P-V曲线图2.4.3 温度对光伏电池输出特性的影响图2-7，图2-8分别给出了太阳能电池阵列在日照射为，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-8中各实线的波峰的幅值变化。 图2-7不同温度下的I-V特性曲线 图2-8不同温度下的P-V特性曲线综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点： 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源； 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化； 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。2.4.4 本系统所采用的光伏电池本课题所选用的是SUNTEL公司型号为M-sol50W的单晶硅光伏电池的各项详细资料如下：1电池板规格：2电池的各项参数（各项数据均在光强，温度25的标准条件下测得）：Peak power：50W；Maximum power current：2.9A；Maximum power voltage：17.2V；Short circuit current：3.2A；Open circuit voltage：21.6V；受温度影响：()：+0.05%/K；(Voc)：-0.33%/K；()：-0.46%lK。表2-1 实验数据U（V）25.1125.0725.0424.9824.8024.5524.2724.0423.75I（A）0.260.290.310.360.480.640.800.931.07U（V）23.5722.9122.5021.9119.0515.7510.788.555.10I（A）1.151.421.561.722.132.242.262.272.28其开路电压和短路电流分别为=25.43V，=2.24A。本系统采用的光伏电池的I-V曲线为下图2-9所示。图2-9 本系统所采用的蓄电池的I-V曲线2.5 本章小结本章内容主要介绍太阳能电池板的相关知识。首先介绍了太阳能电池的原理，即太阳能电池板进行光电转换的原理；其次对太阳能电池板的等效电路进行了分析；最后结合可能影响太阳能电池板内部和外部因素对其输出特性作了分析介绍。3 蓄电池太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。3.1 蓄电池的概念及其一般特性2731,43453.1.1 电池的定义在现代技术中电池有了更为精确地定义：能够产生电能的便携、独立化学系统。电池按转换能量方式分为两大类：一类是物理电池，如太阳能电池；另一类是化学电池，即把化学能转变为电能的装置。化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）。其中，一次电池可分为：盒式锌锰电池、扣式锌银电池、锌空气电池等。二次电池可分为：镍镉电池、氢镍电池、锂电池和铅酸蓄电池等。一次电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致化学成分永久和不可逆的改变。但可充电电池，又叫二次电池，可在应用中放电，也可由充电器充电。所以二次电池储存能量，而不是产生能量。充电和放电电流（安培）通常用电池额定容量的倍数表示，叫做充电速率（C-rate）。例如，对于额定为1安培时的电池，C/10的放电电流等于。电池的额定容量（或）是电池在特定条件下完全放电所能储存的电能。因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，单位为瓦时。任何一种电池由四个基本部件组成，这四个主要部件是正负两个电极、电解质、隔膜和外壳。3.1.2 主要参数指标描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。当然对于不同的蓄电池还有不同的参数，后面用到铅酸蓄电池时再详述。下面介绍其中一些参数的概念及相互间的关系。1 蓄电池充放电容量蓄电池充电容量：蓄电池充电时消耗的电量。 (3-1)式中为充电电流，为充电时间。蓄电池放电容量：完全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。 (3-2)式中为放电电流，为放电时间。影响蓄电池放电容量的主要因素有：a) 放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。b) 电解液的温度当电解液温度在10-35变化时，温度每升高1，蓄电池容量约增加额定容量的0.008。通常采用25下10小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量。2 蓄电池效率放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的百分比。可用安时效率或瓦时效率表示，它们的关系为 (3-3)式中和分别为蓄电池充放电时的平均电压。3 荷电状态(SOC)己充电量与蓄电池额定容量的比值。 (3-4)式中是蓄电池实际带电量，是额定容量。荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。4 放电深度(DOD)蓄电池放电量与额定容量的比值。 (3-5)5 蓄电池寿命a) 浮动充电寿命：蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。即在一个固定的浮充电压和特定的电解液温度条件下的使用寿命。b) 循环寿命：在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。选择放电深度30-50%，环境温度10-25可充分延长蓄电池使用寿命。3.1.3 充放电特性本系统中，采用阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA电池)。它的充放电特性如下：1 充电特性 (3-6)式中为蓄电池充电时端电压，为蓄电池电动势，为蓄电池充电电流，为蓄电池内阻。蓄电池内阻与下列因素有关：a) 内阻与容量成反比，内阻越小，容量越大；b) 电解液比重越高，内阻越小；c) 在放电过程中，内阻逐渐增加，在充电过程中内阻逐渐减小。当以稳定的电流对蓄电池充电时，由于蓄电池内部的化学反应，从而蓄电池内阻发生变化，引起蓄电池端电压的变化如图3-1所示。（实线为充电过程的变化，虚线为停充后的变化。）图3-1充电时端电压的变化曲线在充电初期，蓄电池的端电压升高很快（曲线的段）。充电中期，电势增高渐慢（曲线的段）。充电后期，端电压比较缓慢地上升。如继续充电，电池内部的化学反应使蓄电池的内阻增大，因而端电压又继续上升，如曲线中段。当充电达到达曲线的段时，如再继续充电，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解。如果在d点停止充电，端电压迅速降低（曲线的段）。随后端电压慢慢地下降，最后达到稳定状态（曲线的段）。应当指出，充电速度的快慢(充电率的大小)将影响到充电蓄电池的端电压以及充电时间。充电率的大小是指在一定时间内将蓄电池充满所需电流的大小。如以10小时率充电容量(C)为120Ah的蓄电池，则充电电流为120Ah/10h=12A，常用表示10小时率。在充电末期采用较小的充电电流有益于电池的使用寿命延长。2 放电特性 (3-7)式中为蓄电池放电时端电压，E为蓄电池电动势，为蓄电池放电电流，为蓄电池内阻。当以稳定的电流放电时，蓄电池端电压的变化如图所示。（实线为放电过程的变化，虚线为停放后的变化。）图3-2蓄电池放电时端电压的变化曲线由放电曲线可知，放电曲线基本由三部分组成：放电开始（曲线的段）短时间内电压快速下降，然后电压缓慢下降（曲线的段）；最后端电压在极短的时间内迅速降低（曲线的段）。第二部分（曲线的段）的时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。放电至c点时，放电便告结束。如果继续放电，使电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分的段所示。这种现象叫过放电，虽然能放出部分能量，如经常过放电会降低蓄电池的充电、放电反应速度，加速蓄电池的老化和降低其使用容量。一般规定的放电截止时的电压称为放电终止电压。如果停止放电，则铅蓄电池的端电压立即回升，如图中曲线的虚线部分段所示。3.2 铅酸蓄电池27,30,44铅酸蓄电池的电极是由铅和铅的化合物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。一般由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。铅酸蓄电池使用含锑5%8%的铅锑合金组成隔板，在隔板上分别填充和作为负极和正极，两者交替排列而成，在电极之间注入30%的硫酸溶液。如图3-3所示图3-3铅酸蓄电池的内部结构铅酸蓄电池是一种利用化学反应，把化学能转变为低压直流电能的电化学电源设备。它既能储存能量又能释放能量，它能把其他能量转换为电能储存起来。3.2.1 铅酸蓄电池的电极反应铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质-氢氧化铅（），氢氧根离子在溶液中，铅离子（）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（），与电解液中的硫酸（）发生反应，变成铅离子（），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图3-4所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。图3-4铅酸蓄电池电动势产生原理其原理可通过下面的反应方程式来表示：负极： (3-8)正极： (3-9)总反应： (3-10)3.2.2 铅酸蓄电池的充放电特性3.2.2.1 充电电流接收率与铅酸电池充电特性快速充电就是以大电流充电，在较短时间内充入较多的电量，以此缩短充电时间。但是，电池可接受充电电流是有限度的。铅酸电池的充电可接受电流是指其电解液只产生微量析气的前提下所能够接受的最大充电电流。1967 年美国学者麦斯(J. A. Mas)经过大量试验提出了电池充电可接受电流定律，如式3-4 所示 (3-11)上式中：电池可接受的充电电流；开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流；a充电可接受电流衰减常数(接收率)，与电池的结构和状态有关，a=I /C，其中I 为任意充电状态下蓄电池可接受的充电电流，C 表示蓄电池的容量。由此可见，a 的数值越大则表示蓄电池的充电接受能力越强，其充电时间也就越短。电池在充电过程中其充电可接受电流按图3-5 所示，具有指数规律下降的可接受电流特性。当充电电流大于充电可接受电流时，即处在1 区域时则会导致部分电流消耗于电离电解液中的水，使电池电解液产生析气反应；当充电电流在可接受电流曲线以下时，即处在2 区域时，不产生析气，此时充入的电量几乎都转变为电池的化学能量。在1 区域时，充电电流越大，电解水反应就越剧烈，并使电池内部的压力增大、温升加速，使得电池的充电效率下降，且很容易损害电池影响电池的使用寿命。通过试验证明，铅酸电池也具有按指数规律下降的可接受电流特性。充电过程中，如果能使实际的充电电流始终靠近可接受充电电流曲线，就可使充电所需的时间缩短。固有充电特性曲线是蓄电池在充电过程中是否发生极化的分界线，充电电流的值一旦超过它，极化现象就会严重起来，就会使蓄电池产生析气和升温现象。常规充电时由于充电电流很小，所以基本上不会产生极化，也就不会产生析气和温升现象，它的缺点是充电时间过长。如果严格按照固有特性曲线充电，就可以在不产生析气和温升的情况下大大缩短充电时间。图3-5充电可接受电流曲线图3.2.2.2 铅酸电池的放电特性图3-6 是固定放电电流下电池端电压与放电时间的示意图。从图可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量间存在一定的关系。但到了放电末期，出现转折点，此时电池端电压急剧下降，这是因为电解液中，硫酸的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短。图3-6 铅酸电池端电压与放电时间的关系3.2.2.3 铅酸电池的极化问题铅酸电池快速充电时很容易出现蓄电池的极化问题。电池的充放电特性是由自身的物理结构和电化学反应过程决定的。开路时正负极板与电解液处于暂时的相对平衡状态，当电池充电或放电时，平衡状态遭到破坏，正、负极之间的工作电压值偏离其电动势，产生“极化现象”。铅酸蓄电池产生极化可以分为欧姆极化，浓度极化和电化学极化。(1) 欧姆极化在充电过程中，离子迁移不可避免地遇到一定的阻力，外加电压就必须额外的施加一定的电压以克服这种阻力，这种现象就称为欧姆极化。(2) 浓度极化随着电极化学反应的进行，生成物以及反应物的扩散迁移速度跟不上化学反应的速度时，会造成从电极表面到中部溶液、电解质浓度分布不均匀，这种现象称为浓度极化。(3) 电化学极化电极反应由好几个基本步骤构成，其中有一个步骤，其活化能最高，而为了使得反应的顺利进行必须外加电源来增加一定的电压去克服反应的活化能，这种现象就叫做电化学极化。极化问题是阻碍充电的重要因素，会导致铅酸蓄电池在充电时初始电流受到一定的限制，同时初始电流 的维持时间会变短并会出现一定速率的衰减。如果浓差极化和电化学极化不消除，当充电达到一定程度时，蓄电池的端电压就会迅速增长，这样即使坚持充电也只会产生析气和发热，而实际充进蓄电池的电量却寥寥无几。极化现象不消除，就无法实现电池组的快速充电，因此这是智能充电必须要解决的问题。3.3 太阳能-蓄电池充电技术研究对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法3.3.1 恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。充电过程中电压、电流变化关系如图4-1所示。 图4-1恒流充电曲线 图4-2恒压充电曲线3.3.2 恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图4.2所示，此法也有其不足之处： 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。 如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。3.3.3 恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，肯定是不实用的，因为串联电阻将消耗掉有限的电能。但如果采用其它非能耗限流方式，还是有其优越性。3.3.4 两阶段、三阶段充电这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。其充电特性如图4.3所示。在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图4.3的虚线段。图4-3两阶段、三阶段充电曲线3.3.5 快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要8-20小时，充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1-2小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45以下)。这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。3.3.6 智能充电智能充电是以美国人J.A.MAS（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。这种充电方法的研究在上一章铅酸蓄电池的部分有详细的说明，故不再重复。虽说按照图3-5所示的特性曲线进行充电，可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。因此还未见到在光伏系统中采用充电可接受电流控制的智能充电的研究报道。3.4 本章小结介绍了蓄电池的相关知识。首先通过对蓄电池的概念和一般特性的介绍，使我们对蓄电池有了更多的了解；其次重点讲解本系统所采用的铅酸蓄电池，包括它的电极反应、充放电特性等等；最后结合上一章对太阳能电池板的介绍，简单的对太阳能-蓄电池充电技术作了简单的研究。4 太阳能充电控制器的研究及设计4.1太阳能充电器原理4045太阳能充电器和其他所有的充电器都一样，其充电原理在前面的章节已经做了详细的介绍，这里将不再重复。但是太阳能充电器的构造又不其他的不同，下面就太阳能充电器的各部分进行详细的介绍。4.1.1 主控芯片的设计单片机是整个路灯制器的智能核心模块，在此选用ATMEL公司的AT89S52，PLCC44脚封装的单片机，此芯片是一个低成本、低功耗和高性能的CMOS8位的微处理器，带有8K字节的系统存储器，此芯片和标准工业芯片80C51是兼容的，是一个具有很强功能的微处理器，对很多嵌入式的应用系统能提