太陽能控制器設計

太陽能控制器摘要：本文通過對太陽能發(fā)電的深入研究，為解決太陽能不穩(wěn)定使用不便等問題，設計了一種，LM2576為前級穩(wěn)壓，UC3906為充電管理芯片，以51單片機為控制核心通過編程實現(xiàn)四種用電方案，合理為蓄電池充電的太陽能控制器。關鍵詞：太陽能控制器;LM2576;UC39061引言太陽能是地球上的綠色能源之一，太陽能具有普遍性，巨大性，等特點，但也同時具有能量不穩(wěn)定，能量密度低等特性。為解決太陽能發(fā)電不穩(wěn)定，使用不方便等問題，本文設計了一種以51單片機為控制核心的低成本智能太陽能電池充電控制器。硬件方面本設計采用PWM調波控制buck降壓電路，來穩(wěn)定太陽能輸出；采用UC3906鉛酸蓄電池專用充電芯片為蓄電池充電，使鉛酸蓄電池充電更合理；采用兩塊鉛酸蓄電池作為出能源原件；由于采用集成芯片提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化了電路縮減了成本。同時控制器還具有防雷擊保護電路，放蓄電池反接保護電路，太陽能電池板防反接保護電路，過流保護電路，并內置雙軸太陽跟蹤器驅動電路。軟件方面，本設計采用三種可選用電模式：默認模式（模式一），蓄電池持續(xù)供電模式（模式二），太陽能電池板供電模式（模式三）和一種單蓄電池工作模式（模式四）。2硬件系統(tǒng)構成本系統(tǒng)主要由雷擊保護模塊，前級穩(wěn)壓模塊，蓄電池充電模塊，核心控制模塊，繼電器控制模塊和太陽跟蹤模塊，等部分組成。其結構框圖如下圖所示：圖1硬件系統(tǒng)框圖2.1雷擊保護模塊與前級穩(wěn)壓模塊雷擊保護是在太陽能電池板串聯(lián)一個瞬態(tài)二極管，瞬態(tài)二極管（TVS）是一種硅PN結器件，它能夠吸收很高的瞬態(tài)電壓，能夠在10-12s內導通，有效防止雷擊產生的浪涌電流，保護控制器和蓄電池不被破壞，為安全起見在太陽能電池板的正端也就是后級電路的輸入端還串接一個融斷絲，如果瞬態(tài)二極管失效也會保證后繼電路不會被毀壞。本系統(tǒng)采用擊穿電壓60V的TVS[1]。后級穩(wěn)壓電路的最高輸入電壓為60V，采用buck降壓路 。通過調節(jié)PWM占空比達到降壓目的，同時提高系統(tǒng)的電流輸出能力。buck電路的拓撲圖為電壓源、串聯(lián)開關和電流負載組合而成，不含有中間部分[2]。但是由于buck電路MOS開關管的源極浮地，所以驅動電路比較復雜在實際設計過程中不易實現(xiàn)，因此在前級穩(wěn)壓電路部分采用開關電源集成芯片LM2576。該系列開關電源芯片是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。LM2576系列包括LM2576(最高輸入電壓40V)及LM2576HV(最高輸入電壓60V)二個系列。各系列產品均提供有3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、12V(-12)、15V(-15)及可調(-ADJ)等多個電壓檔次產品。此外，該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳[3]。LM2576引腳圖如下圖所示：圖2LM2576引腳圖2.2蓄電池充電模塊與繼電器控制模塊由于儲能元件為鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池如今是適用范圍最為廣泛的可循環(huán)充電電池之一，采用鉛酸蓄電池作為太陽能發(fā)電，蓄電池的互換性強，使用更方便也更便宜。但是鉛酸蓄電池充電要求比較嚴格，因此本設計采用UC3906最為充電模塊的核心芯片。UC3906是一款專門用來為鉛酸蓄電池充電的充電芯片。UC3906該芯片內含有獨立的電壓控制電路，具有限流放大器，更重要的是UC3906具有精準的基準電壓，并在內部設置了溫度補償電路。這樣的設計可以隨外部環(huán)境溫度的變化調整鉛酸蓄電池的浮充電壓，從而更好的保護蓄電池。以12V20AH的蓄電池為例，設計出UC3906充電電路如圖3所示。其中輸入電壓為Uin=18V，過充電壓Uoc=15V，浮充電壓14.5V，過充變換電壓14.25V，浮充轉換電壓11.7V，最大充電電流Imax=1000mA，過充終止電流Ioc=100mA[4]。其外部電路如下圖所示：圖3UC3906充電電路18V輸入電壓加入后,Q1導通,開始恒流充電,充電電流為2.5A,電池電壓逐漸升高。當電池電壓達到過充電壓的95%(即14.25V)時,電池轉入過充電狀態(tài),充電電壓維持在過充電電壓,充電電流開始下降。當充電電流降到過充電終止電流(IOCT)時,UC3906的腳10輸出高電平,比較器LM339輸出低電平,蓄電池自動轉入浮充狀態(tài)。同時充足電指示發(fā)光管發(fā)光,指示蓄電池已充滿并通知核心控制模塊充電已完成可以切換電池。繼電器主要是為用來管理蓄電池組工作狀態(tài)切換為設計的，繼電器采用雙穩(wěn)態(tài)繼電器。如果采用單穩(wěn)態(tài)繼電器或者功率MOS作為切換原件，這兩種器件在切換狀態(tài)時必然會有一種狀態(tài)必須通電才能維持，這樣就增加了電能消耗，因此采用雙穩(wěn)態(tài)繼電器，當切換工作狀態(tài)時，只需要在其set引腳或者rest引腳加上一定時間的高電平即可（約3ms）。切換電路如下圖所示：圖4繼電器切換電路2.3核心控制模塊與太陽跟蹤模塊 為方便開發(fā)并達到低成本的目的，采用51單片機即可。STC51單片機控制，MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產品，典型產品有8031（內部沒有程序存儲器，實際使用方面已經被市場淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實際使用方面已經被市場淘汰）和8751等通用產品，一直到現(xiàn)在，MCS-51內核系列兼容的單片機仍然在使用。可見這種單片機的使用是多么廣泛。單片機通過按鍵獲得輸入指令，從而判斷計入哪一種工作模式，并且在切換到用戶選定的這種模式后通過指示燈來指示當前系統(tǒng)工作于哪一種模式。 放電控制是通過控制兩個雙穩(wěn)態(tài)繼電器開關達到切換的目的，當放電蓄電池進入欠電壓狀態(tài)時，繼電器1會斷開與外部負載的鏈接防止蓄電池過放電，當系統(tǒng)工作用于太陽能供電模式時，繼電器2導通使接在負載上的那一端放電回路直接接在太陽能電池板的充電回路中。本文采用光電傳感器利用電壓平衡原理制作的雙軸太陽軌跡跟蹤器。其設計原理是利用光敏電阻感受陽光，當太陽能電池板面正對太陽時，光敏電阻受光平衡，因此電阻值一樣大，則光敏電阻上的分壓也一樣大，通過電壓比較器可以輸出一個信號使電動機停轉。反之當太陽移動時，光敏電阻的阻值不同導致電壓不平衡，會使電壓比較器的正反輸入端電壓不一致，這是電壓比較器會再次輸出一個值驅動電機正反轉，調整太陽能電池板的角度，使之重新對準太陽，從而達到跟蹤太陽的目的。3蓄電池與太陽能電池板的計算蓄電池與太陽能電池板的計算過程遵循由負載確定蓄電池容量，再確定太陽能電池板的容量。以用電負載200WH（單位瓦時）令放電電壓取12V計算，通過計算公式：負載瓦時（WH）/放電電壓=安時（AH）得出所需安時約為17AH，這只是一天中負載所消耗的能量，還要加上由于陰天導致的發(fā)電不足，蓄電池需要另外富余一部分能量以備連續(xù)陰天時使用，以三天連續(xù)陰天計算，需要儲備34AH的能量，假設太陽能電池板可以每天在充滿當天可用電量之后，再多4AH富余用來在陰天時儲備能量，則需要差不多9天時間。那么每天太陽能蓄電池實際發(fā)電量不小于17+4=21（AH）那么蓄電池真實容量（以50%放電深度計算）如下公式計算：（17×3）/0.5=102（AH）其中17為負載消耗的能量（以安時計算）3表示連續(xù)三天的陰雨儲備，蓄電池選用應該大于102AH，因此選用120AH的蓄電池，當然稍大一些的蓄電池在使用時有它的好處，就是不容易超過最低放電深度，但又不能太大，否則不僅浪費會會處于長時間充不滿電的狀態(tài)。太陽能電池板則會根據(jù)如下公式計算：21/0.81=29.62(AH)取整數(shù)得30AH，這時太陽能每日發(fā)電容量，它代表的含義是以日照10小時計算，發(fā)電電流為3A，轉換成功率就是乘以太陽能電池板額定電壓，這里取20V，則太陽能電池板發(fā)電功率為60W，0.81是太陽能控制器和蓄電池充電效率乘積[5]。4結論本文通過對太陽能發(fā)電的深入研究，解決太陽能充電效率低下且不能夠對蓄電池進行有效保護等問題。通過LM2576調節(jié)太陽能電池板的輸出電壓電流，使之符合蓄電池充電的穩(wěn)定環(huán)境要求，通過UC3906對蓄電池進行充電控制滿足蓄電池的充電特性要求，通過51單片機編程實現(xiàn)四種用電模式的切換。靈活自如的滿足不同的用電需求。通過計算太陽能電池板與蓄電池的搭配可以達到最佳發(fā)電量與存儲量得配置。參考文獻(References):[1]趙祥超,姜翠宏,趙學全.防雷工程設計與實踐[M].氣象出版社,北京,2010,3:182-183.[2]葉斌.電力電子技