智能追光鋰電充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

太陽(yáng)能電池的發(fā)展始于上世紀(jì)五十年代，最初應(yīng)用于宇宙開(kāi)發(fā)，航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)近五十年的發(fā)展，無(wú)論從發(fā)展速度、技術(shù)成熟性，還是從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，太陽(yáng)能電池都是新能源中的佼佼者。太陽(yáng)能電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、能量隨處可得、不受地域限制、無(wú)須消耗燃料、可以無(wú)人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽(yáng)能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線(xiàn)頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽(yáng)能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽(yáng)能電池先存儲(chǔ)在電池中，然后通過(guò)電池為用電裝置供電。

目前，人們常以蓄電池作為太陽(yáng)能電池的儲(chǔ)電裝置，但是，蓄電池的維護(hù)較復(fù)雜，需專(zhuān)門(mén)的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現(xiàn)場(chǎng)初充電50-90小時(shí)，需專(zhuān)人維護(hù)，而且，不及時(shí)恢復(fù)性充電會(huì)損害電池，蓄電池對(duì)溫度也很敏感，壽命較短。

鋰電池作為二次電池之一，具有能量密度高、工作電壓高、自放電小，可快速充放電、壽命長(zhǎng)、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱(chēng)為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點(diǎn)，但同其優(yōu)點(diǎn)相比，那些缺點(diǎn)不應(yīng)成為主要問(wèn)題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。目前，鋰電池在市場(chǎng)中成長(zhǎng)快速、利潤(rùn)高、已成為許多先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的研究項(xiàng)目，其未來(lái)需求及發(fā)展前景是相當(dāng)好的。

鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽(yáng)能電池的儲(chǔ)電裝置。隨即帶來(lái)的鋰電充電問(wèn)題便成了鋰電應(yīng)用中的重要課題。市場(chǎng)上現(xiàn)有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強(qiáng)，要么精度達(dá)不到要求，而且，隨著太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不可再生資源的逐漸減少，現(xiàn)有的交流電供電式充電器必有被取代之勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能供電下對(duì)鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長(zhǎng)鋰電池壽命，本文設(shè)計(jì)了一款基于AVR單片機(jī)的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能追光，并確保鋰電池不會(huì)過(guò)充、過(guò)熱而損壞，大大提高安全性能，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過(guò)與上位機(jī)通信，將鋰電池的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、控制精度高、操作簡(jiǎn)便、易于軟件升級(jí)等特點(diǎn)。

追光、鋰電池充電基本原理

追光原理

單軸跟蹤追光

單軸跟蹤追光的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線(xiàn)不能始終與主光軸平行，收集太陽(yáng)能的效果并不理想。

圖1是單軸跟蹤追光的一個(gè)實(shí)例。

圖1 單軸跟蹤

雙軸跟蹤追光

雙軸跟蹤追光可以通過(guò)跟蹤太陽(yáng)高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽(yáng)能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

雙軸跟蹤追光的原理圖如圖2所示。

圖2 雙軸跟蹤

光電跟蹤追光

光電檢測(cè)就是檢測(cè)太陽(yáng)高度角和方位角的變化，可以使用3個(gè)光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，組建橋式電路，分別通過(guò)如圖3電路接通單片機(jī)的A/D通道，微處理器根據(jù)得到的電壓數(shù)據(jù),控制電機(jī)動(dòng)作。

圖3光電跟蹤

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤追光

由于太陽(yáng)的高度角和方位角決定了太陽(yáng)的位置，故可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度確定太陽(yáng)的位置，然后調(diào)節(jié)太陽(yáng)能將電池板與地面的角度，實(shí)現(xiàn)追光。

太陽(yáng)位置計(jì)算幾何數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合追光

光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法能夠加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。