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。
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 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
图1- 1光伏系统组成框图
XXX太阳能光伏照明控制系统的硬件电路设计
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ATmega4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PW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。
第2章光伏照明控制系统的总体设计方案
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。
XXX太阳能光伏照明控制系统的硬件电路设计
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。
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。
图2- 5恒压充电电路
图2- 6恒压充电曲线2.1.4脉冲式充电法（PWM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。⑶
图2- 7脉冲式充电曲线
