智能追光鋰電充電系統(tǒng)設計

前言

太陽能電池的發(fā)展始于上世紀五十年代，最初應用于宇宙開發(fā)，航空航天等領域，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度、技術成熟性，還是從應用領域來看，太陽能電池都是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結合等，這些優(yōu)點都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽能電池并不是一個理想的電源，其輸出特性受光照強度和光線頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲在電池中，然后通過電池為用電裝置供電。

目前，人們常以蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置，但是，蓄電池的維護較復雜，需專門的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現(xiàn)場初充電50-90小時，需專人維護，而且，不及時恢復性充電會損害電池，蓄電池對溫度也很敏感，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、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無記憶效應和無環(huán)境污染等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點，但同其優(yōu)點相比，那些缺點不應成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。目前，鋰電池在市場中成長快速、利潤高、已成為許多先進國家競相發(fā)展的研究項目，其未來需求及發(fā)展前景是相當好的。

鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置。隨即帶來的鋰電充電問題便成了鋰電應用中的重要課題。市場上現(xiàn)有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強，要么精度達不到要求，而且，隨著太陽能產(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。

為了實現(xiàn)在太陽能供電下對鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長鋰電池壽命，本文設計了一款基于AVR單片機的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能追光，并確保鋰電池不會過充、過熱而損壞，大大提高安全性能，延長鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過與上位機通信，將鋰電池的狀態(tài)實時顯示在上位機界面上，便于實現(xiàn)對鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強、可靠性高、控制精度高、操作簡便、易于軟件升級等特點。

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)點是結構簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。

圖1是單軸跟蹤追光的一個實例。

圖1 單軸跟蹤

雙軸跟蹤追光

雙軸跟蹤追光可以通過跟蹤太陽高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽能，但是其結構復雜，成本相對較高。

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

光電檢測就是檢測太陽高度角和方位角的變化，可以使用3個光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，組建橋式電路，分別通過如圖3電路接通單片機的A/D通道，微處理器根據(jù)得到的電壓數(shù)據(jù),控制電機動作。

圖3光電跟蹤

視日運動軌跡跟蹤追光

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

太陽位置計算幾何數(shù)學模型如圖4所示。

圖4視日運動軌跡跟蹤

光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合追光

光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結合的設計方法能夠加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對太陽的跟蹤。