基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器

吳奐潮

摘 要 隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)于不可再生能源的需求與日俱增，這不僅使得地球上所剩無幾的能源面臨枯竭，同時(shí)引發(fā)的各種環(huán)境問題也讓人們疲于應(yīng)對(duì)。太陽能是一種非常理想的清潔能源，隨著各類能源問題的爆發(fā)，太陽能的運(yùn)用和普及越來越受到人們的重視。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 光伏發(fā)電 控制系統(tǒng)

1 控制器研究設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案

AT89C51，它是一種攜帶4KB閃存存儲(chǔ)器的高性能、低電壓的8位微處理器。AT89C51單片機(jī)提供如下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)的Flash閃存存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O端口，128字節(jié)內(nèi)部RAM，兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘電路及片內(nèi)振蕩，一個(gè)全雙工串行通信接口。AT89C51能夠?qū)崿F(xiàn)大部分的控制和功能，完成太陽能路燈的智能化和自動(dòng)化控制。在電流過充過放的設(shè)計(jì)電路中使用繼電器完成對(duì)電路的充電保護(hù)，如果電池電壓低于設(shè)置值則認(rèn)為電池處于過放狀態(tài)，此時(shí)需要停止繼續(xù)供電，起到過放保護(hù)的作用；如果電池電壓高于設(shè)置值則認(rèn)為電池處于過充狀態(tài)，此時(shí)需要停止充電，起到過充保護(hù)的作用。

在考慮蓄電池電容的選擇時(shí)通常應(yīng)遵循如下原則：在滿足夜間照明的前提下，蓄電池應(yīng)當(dāng)盡量把太陽能電池組件在白天吸收的能量?jī)?chǔ)存下來，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)有足夠多的電能來提供連續(xù)陰雨天氣的夜間照明所需的能量。若蓄電池的容量太小，將無法滿足夜間照明的需要，若蓄電池的容量太大，將會(huì)使蓄電池一直處于虧電狀態(tài)，大大衰減蓄電池的壽命。常見的鉛酸蓄電池維護(hù)繁雜，使用壽命不長(zhǎng)，自動(dòng)恢復(fù)能力不強(qiáng)，因此正漸漸被膠體蓄電池取代。膠體蓄電池具有使用壽命長(zhǎng)、回充電性能強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、內(nèi)阻低自放電小、電解液不會(huì)分層、抗高溫耐低溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮，優(yōu)先考慮使用膠體蓄電池。

發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱LED，LED具有光效高、工作電壓低、壽命長(zhǎng)、不需要逆變器等優(yōu)點(diǎn)，為了使系統(tǒng)性能最優(yōu)化，采用LED作為光源。

2 太陽能光伏發(fā)電的理論分析

實(shí)際上太陽能電池板就是一個(gè)面積很大的p-n結(jié)，通過吸收陽光的能量在其中產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，電子和空穴這兩者的電極性相反，前者帶負(fù)電，后者帶正電。在半導(dǎo)體p-n中的靜電場(chǎng)作用下，這兩種電極性不相同的載流子被分開，在p區(qū)聚集了大量的由太陽光激發(fā)的空穴，在n區(qū)聚集了大量由太陽能激發(fā)的電子，于是p區(qū)帶有正電而n區(qū)帶有負(fù)電。由此在p-n結(jié)的兩邊產(chǎn)生了由太陽光激發(fā)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，也就是太陽能電池。電子和空穴分別朝著太陽能電池的正極和負(fù)極聚集，把太陽能電池接入到負(fù)載中就會(huì)有電流流過，從而有電功率輸出。

光電池板組件安裝角度的不同、光照強(qiáng)度、光電池板表面溫度、光電池板面積等因素都會(huì)對(duì)光生電流產(chǎn)生影響。太陽能電池的發(fā)電效率由光生電流決定，所以合適的光電池組件安裝角度至關(guān)重要，角度略有偏差都會(huì)使光電流下降不少。

3 控制器設(shè)計(jì)理論研究

控制器如同人體中的大腦，控制著整個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)，太陽能路燈控制器決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的好壞以及系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。除了防止蓄電池過放過充之外，控制器還需要有時(shí)控和光控的功能，以便于完成智能化和自動(dòng)化控制，在陰雨的天氣里能實(shí)現(xiàn)正常的照明工作。

檢測(cè)太陽能電池板電壓是控制模塊實(shí)現(xiàn)控制的基本思想，白天時(shí)，太陽能電池板電壓高，此時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，LED不工作；在夜間，太陽能電池板電壓低，控制電路被開啟，LED進(jìn)行照明工作?？刂破魍瑫r(shí)還會(huì)檢測(cè)蓄電池的電壓，判斷其充電的方式和對(duì)負(fù)載的供電方式。

太陽能控制器的主要功能：

（1）蓄電池的過充電、過放電保護(hù)；

（2）電池組件的反接保護(hù)、防反充保護(hù)；

（3）智能充電（恒壓控制）；

（4）負(fù)載過壓保護(hù)。

4 控制器設(shè)計(jì)理論計(jì)算

太陽能路燈無疑是非常理想的照明光源，而實(shí)際上，許多太陽能路燈無法滿足普通照明的需要，尤其是在連續(xù)陰雨的天氣。進(jìn)行太陽能路燈設(shè)計(jì)所需要的相關(guān)設(shè)計(jì)：

4.1 太陽能路燈安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度

通過地理位置可以了解到一個(gè)地區(qū)的日照情況、氣候特點(diǎn)、平均氣溫等，由此可確定安裝太陽能電池板的方位角、傾斜角以及太陽能標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)。

4.2 系統(tǒng)所使用的照明光源的功率

4.3 光源在夜間照明的時(shí)長(zhǎng)（H）

根據(jù)光源的夜間照明時(shí)長(zhǎng)估算出負(fù)載每天消耗的電能以及太能點(diǎn)電池需要提供的電流。

4.4 路燈能夠在連續(xù)陰雨的天氣下工作的天數(shù)（d）

通過這一參數(shù)估計(jì)出蓄電池的容量和在天氣放晴后蓄電池恢復(fù)電池容量需要的電池組件功率。

4.5 遇到兩個(gè)連續(xù)陰雨天所間隔的天數(shù)（D）

假設(shè)需要安裝一些太陽能路燈，LED光源的功率為9W，需要照明的時(shí)間為每天11個(gè)小時(shí)，能夠維持照明工作的最大連續(xù)陰雨天數(shù)為7天。此地區(qū)的東經(jīng)為114度，北緯為23度，年平均的日照太陽輻射為3.82KW.h/m2，年平均月氣溫為20度，連續(xù)兩個(gè)陰雨天的間隔時(shí)長(zhǎng)為25天。通過以上數(shù)據(jù)，計(jì)算出太陽能光電池組件的安裝傾斜角為26度，標(biāo)準(zhǔn)光照峰值的小時(shí)數(shù)為4個(gè)小時(shí)左右。

（1）照明光源每天消耗的電量：

Q=W*H/U=9x11÷12=8.25Ah

其中U是蓄電池的標(biāo)稱電壓值。

（2）照明光源日常使用情況下太陽能電池組件的充電電流：

I1=Q*1.05/h/0.85/0.9=2.83A

其中1.05是太陽能在充電過程中的綜合損失系數(shù)，h是標(biāo)準(zhǔn)光照峰值小時(shí)數(shù)，0.85是蓄電池的充電效率，0.9是控制器的效率。

（3）蓄電池容量：

C=Q*（d+1）/0.75*1.2=8.25x8÷0.75x1.2=105.6Ah

其中0.75是蓄電池的放電深度，1.2是蓄電池的安全系數(shù)。

（4）連續(xù)陰雨天氣過后蓄電池容量需要恢復(fù)所需要的太陽能電池組件充電電流：

I2=C*0.75÷h÷D=105.6x0.75÷4÷25=0.792A

其中0.75是蓄電池的放電深度。

（5）太陽能電池組件的功率：

P=（I1+ I2）*18=（2.83+0.792）x18=65.2Wp

其中18是太陽能電池的工作電壓。

5 總結(jié)

本文是以運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽能路燈控制為目的，介紹了其試驗(yàn)方案、理論研究、理論計(jì)算等方面，這些研究都能夠?yàn)榛趩纹瑱C(jī)的太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]李向欣.單片機(jī)的太陽能路燈控制器研究[C]//峽兩岸第十六屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告暨論文集.2014：15-19.

[2]吳正茂.基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器研究[J].中國(guó)科技財(cái)富，2013（04）：36-38.

作者單位

華北科技學(xué)院 河北省廊坊市 065201