太阳能控制器设计

太阳能控制器摘要：本文通过对太阳能发电的深入研究，为解决太阳能不稳定使用不便等问题，设计了一种，LM2576为前级稳压，UC3906为充电管理芯片，以51单片机为控制核心通过编程实现四种用电方案，合理为蓄电池充电的太阳能控制器。关键词：太阳能控制器;LM2576;UC39061引言太阳能是地球上的绿色能源之一，太阳能具有普遍性，巨大性，等特点，但也同时具有能量不稳定，能量密度低等特性。为解决太阳能发电不稳定，使用不方便等问题，本文设计了一种以51单片机为控制核心的低成本智能太阳能电池充电控制器。硬件方面本设计采用PWM调波控制buck降压电路，来稳定太阳能输出；采用UC3906铅酸蓄电池专用充电芯片为蓄电池充电，使铅酸蓄电池充电更合理；采用两块铅酸蓄电池作为出能源原件；由于采用集成芯片提高了系统的稳定性，简化了电路缩减了成本。同时控制器还具有防雷击保护电路，放蓄电池反接保护电路，太阳能电池板防反接保护电路，过流保护电路，并内置双轴太阳跟踪器驱动电路。软件方面，本设计采用三种可选用电模式：默认模式（模式一），蓄电池持续供电模式（模式二），太阳能电池板供电模式（模式三）和一种单蓄电池工作模式（模式四）。2硬件系统构成本系统主要由雷击保护模块，前级稳压模块，蓄电池充电模块，核心控制模块，继电器控制模块和太阳跟踪模块，等部分组成。其结构框图如下图所示：图1硬件系统框图2.1雷击保护模块与前级稳压模块雷击保护是在太阳能电池板串联一个瞬态二极管，瞬态二极管（TVS）是一种硅PN结器件，它能够吸收很高的瞬态电压，能够在10-12s内导通，有效防止雷击产生的浪涌电流，保护控制器和蓄电池不被破坏，为安全起见在太阳能电池板的正端也就是后级电路的输入端还串接一个融断丝，如果瞬态二极管失效也会保证后继电路不会被毁坏。本系统采用击穿电压60V的TVS[1]。后级稳压电路的最高输入电压为60V，采用buck降压路 。通过调节PWM占空比达到降压目的，同时提高系统的电流输出能力。buck电路的拓扑图为电压源、串联开关和电流负载组合而成，不含有中间部分[2]。但是由于buck电路MOS开关管的源极浮地，所以驱动电路比较复杂在实际设计过程中不易实现，因此在前级稳压电路部分采用开关电源集成芯片LM2576。该系列开关电源芯片是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括LM2576(最高输入电压40V)及LM2576HV(最高输入电压60V)二个系列。各系列产品均提供有3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、12V(-12)、15V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚[3]。LM2576引脚图如下图所示：图2LM2576引脚图2.2蓄电池充电模块与继电器控制模块由于储能元件为铅酸蓄电池，铅酸蓄电池如今是适用范围最为广泛的可循环充电电池之一，采用铅酸蓄电池作为太阳能发电，蓄电池的互换性强，使用更方便也更便宜。但是铅酸蓄电池充电要求比较严格，因此本设计采用UC3906最为充电模块的核心芯片。UC3906是一款专门用来为铅酸蓄电池充电的充电芯片。UC3906该芯片内含有独立的电压控制电路，具有限流放大器，更重要的是UC3906具有精准的基准电压，并在内部设置了温度补偿电路。这样的设计可以随外部环境温度的变化调整铅酸蓄电池的浮充电压，从而更好的保护蓄电池。以12V20AH的蓄电池为例，设计出UC3906充电电路如图3所示。其中输入电压为Uin=18V，过充电压Uoc=15V，浮充电压14.5V，过充变换电压14.25V，浮充转换电压11.7V，最大充电电流Imax=1000mA，过充终止电流Ioc=100mA[4]。其外部电路如下图所示：图3UC3906充电电路18V输入电压加入后,Q1导通,开始恒流充电,充电电流为2.5A,电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压的95%(即14.25V)时,电池转入过充电状态,充电电压维持在过充电电压,充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流(IOCT)时,UC3906的脚10输出高电平,比较器LM339输出低电平,蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光,指示蓄电池已充满并通知核心控制模块充电已完成可以切换电池。继电器主要是为用来管理蓄电池组工作状态切换为设计的，继电器采用双稳态继电器。如果采用单稳态继电器或者功率MOS作为切换原件，这两种器件在切换状态时必然会有一种状态必须通电才能维持，这样就增加了电能消耗，因此采用双稳态继电器，当切换工作状态时，只需要在其set引脚或者rest引脚加上一定时间的高电平即可（约3ms）。切换电路如下图所示：图4继电器切换电路2.3核心控制模块与太阳跟踪模块 为方便开发并达到低成本的目的，采用51单片机即可。STC51单片机控制，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍然在使用。可见这种单片机的使用是多么广泛。单片机通过按键获得输入指令，从而判断计入哪一种工作模式，并且在切换到用户选定的这种模式后通过指示灯来指示当前系统工作于哪一种模式。 放电控制是通过控制两个双稳态继电器开关达到切换的目的，当放电蓄电池进入欠电压状态时，继电器1会断开与外部负载的链接防止蓄电池过放电，当系统工作用于太阳能供电模式时，继电器2导通使接在负载上的那一端放电回路直接接在太阳能电池板的充电回路中。本文采用光电传感器利用电压平衡原理制作的双轴太阳轨迹跟踪器。其设计原理是利用光敏电阻感受阳光，当太阳能电池板面正对太阳时，光敏电阻受光平衡，因此电阻值一样大，则光敏电阻上的分压也一样大，通过电压比较器可以输出一个信号使电动机停转。反之当太阳移动时，光敏电阻的阻值不同导致电压不平衡，会使电压比较器的正反输入端电压不一致，这是电压比较器会再次输出一个值驱动电机正反转，调整太阳能电池板的角度，使之重新对准太阳，从而达到跟踪太阳的目的。3蓄电池与太阳能电池板的计算蓄电池与太阳能电池板的计算过程遵循由负载确定蓄电池容量，再确定太阳能电池板的容量。以用电负载200WH（单位瓦时）令放电电压取12V计算，通过计算公式：负载瓦时（WH）/放电电压=安时（AH）得出所需安时约为17AH，这只是一天中负载所消耗的能量，还要加上由于阴天导致的发电不足，蓄电池需要另外富余一部分能量以备连续阴天时使用，以三天连续阴天计算，需要储备34AH的能量，假设太阳能电池板可以每天在充满当天可用电量之后，再多4AH富余用来在阴天时储备能量，则需要差不多9天时间。那么每天太阳能蓄电池实际发电量不小于17+4=21（AH）那么蓄电池真实容量（以50%放电深度计算）如下公式计算：（17×3）/0.5=102（AH）其中17为负载消耗的能量（以安时计算）3表示连续三天的阴雨储备，蓄电池选用应该大于102AH，因此选用120AH的蓄电池，当然稍大一些的蓄电池在使用时有它的好处，就是不容易超过最低放电深度，但又不能太大，否则不仅浪费会会处于长时间充不满电的状态。太阳能电池板则会根据如下公式计算：21/0.81=29.62(AH)取整数得30AH，这时太阳能每日发电容量，它代表的含义是以日照10小时计算，发电电流为3A，转换成功率就是乘以太阳能电池板额定电压，这里取20V，则太阳能电池板发电功率为60W，0.81是太阳能控制器和蓄电池充电效率乘积[5]。4结论本文通过对太阳能发电的深入研究，解决太阳能充电效率低下且不能够对蓄电池进行有效保护等问题。通过LM2576调节太阳能电池板的输出电压电流，使之符合蓄电池充电的稳定环境要求，通过UC3906对蓄电池进行充电控制满足蓄电池的充电特性要求，通过51单片机编程实现四种用电模式的切换。灵活自如的满足不同的用电需求。通过计算太阳能电池板与蓄电池的搭配可以达到最佳发电量与存储量得配置。参考文献(References):[1]赵祥超,姜翠宏,赵学全.防雷工程设计与实践[M].气象出版社,北京,2010,3:182-183.[2]叶斌.电力电子技