Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки и ЛНР

Донбасский государственный технический университет

Факультет автоматизации и электронных систем

Кафедра радиофизики и электроники

Выпускная квалификационная работа

Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели

Студент 4 курса

Дьяченко В.Е.

Научный руководитель

ст. пр. Литвинов А.И.

Допущен к защите

Заведующий кафедрой Мурга В.В.

г. Алчевск

2015 г.



Аннотация

УДК 621.314.1

Дьяченко В.Е. Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели. Выпускная квалификационная работа. - Алчевск: ДонГТУ, 2015. - 133 с.

Работа посвящена разработке и исследованию универсального контроллера заряда аккумуляторных батарей от солнечной панели. В процессе исследований были рассмотрены особенности солнечных элементов и выбран тип солнечной панели. Проведен анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда АКБ от солнечных панелей. Разработана схема структурная, схема электрическая принципиальная и конструкция устройства. Проведено имитационное моделирование разработанного устройства и осуществлено определение его основных характеристик.



Annotation

Dyachenko V.E. The controller battery charge from solar panel. Final qualifying work. - Alchevsk: DonSTU, 2015. - 133 p.

The work is dedicated to the development and research of universal controller battery charge from solar panel. During the study were considered especially solar cells and solar panel type is selected. The analysis of the model of circuit design solutions and controllers charge batteries from solar panels. The scheme of structural, electrical schematic diagram and design of the device. A simulation device designed and implemented the definition of its basic characteristics.



Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Солнечная энергетика

1.2 Солнечные элементы и их структура

1.3 Характеристики солнечных элементов

1.4 Основные элементы солнечной электростанции и их особенности

1.4.1 Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

1.4.2 Контроллер заряда аккумуляторных батарей

1.4.3 Инвертор

1.5 Существующие схемотехнические решения устройств преобразования солнечной энергии

1.5.1 Простые схемотехнические решения

1.5.2 Cхемотехнические решения средней сложности

1.5.3 Сложные схемотехнические решения

Выводы по разделу

2. Разработка структурной схемы

3. Разработка алгоритма работы устройства

4. Разработка устройства и расчет его элементов и узлов

4.1 Выбор солнечной панели

4.2 Выбор импульсного преобразователя

4.3 Выбор микроконтроллера

4.4 Выбор и вычисления компаратора с гистерезисом

4.5 Выбор умножителя

4.6 Выбор цифро-аналогового преобразователя

4.7 Выбор аналого-цифрового преобразователя

4.8 Датчик тока

4.9 Датчик напряжения

4.10 Выбор устройства индикации

5. Расчет печатной платы устройства и электронного функционального узла устройства

5.1 Определение требований к механическим и климатическим воздействиям

5.2 Выбор элементной базы и предварительная компоновка конструкции электронного устройства

5.3 Разработка конструкции печатной платы

5.4 Разработка конструкции печатного узла

5.5 Выбор условий охлаждения и расчет теплового режима

5.6 Расчет теплового режима блока в герметичном корпусе

5.7 Расчет надежности устройства

6. Имитационное моделирование работы устройства

6.1 Принцип работы импульсного преобразователя постоянного напряжения ИППН

6.2 Имитационная модель ИППН

7. Охрана труда

7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

7.2 Инструкция по охране труда аккумуляторщика

7.2.1 Общие положения

7.2.2 Требования безопасности перед началом работы

7.2.3 Требования безопасности во время выполнения работы

7.2.4 Требования безопасности после окончания работы

7.3 Пожарная безопасность

Выводы по разделу

8. Технико-экономическое обоснование производства

8.1 Определение себестоимости изготовления и цены устройства

8.1.1 Расчет затрат на материалы, полуфабрикаты и комплектующие

8.1.2 Расчет фонда заработной платы производственных рабочих

8.1.3 Расчет отчислений на социальные мероприятия

8.1.4 Составление калькуляции себестоимости и определения цены изделия

8.2 Разработка сетевого графика технической подготовки производства электронного устройства

Выводы

Перечень ссылок

Приложения

Введение

Сложная энергетическая и экологическая ситуация, сложившаяся в современном мире, в результате высокого уровня потребления электроэнергии, заставляет науку и промышленность искать интенсивные пути решения проблем создания альтернативных источников электроэнергии. Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является преобразование солнечной энергии в электрическую. В контексте решения этих проблем большое значение приобретает разработка и внедрение устройств для питания различных видов потребителей от солнечных батарей.

Актуальность темы. Существующие в настоящее время контроллеры для работы с солнечными панелями имеют различные схемотехнические и конструкторские решения, КПД, стоимость и массогабаритные характеристики. Большую актуальность на сегодняшний день приобретают устройства для заряда аккумуляторных батарей в различной радиоэлектронной аппаратуре.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка универсального контроллера заряда аккумуляторных батарей от солнечной панели, по критерию минимальной стоимости, высокой надежности изделия, с учетом максимальной эффективности - КПД.

В соответствии с этой целью в работе решаются следующие задачи:

· рассмотреть особенности солнечных элементов, выполненных по поликристаллической и монокристаллической технологии и выбрать тип солнечной панели;

· провести анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда АКБ от солнечных панелей;

· разработать схему структурную и схему электрическую принципиальную универсального контроллера заряда для АКБ, выполненных по различной технологии (Ni-Cd, Li-Ion, Ni-Mh), имеющих разную ЭДС и ёмкость;

· разработать конструкцию устройства заряда АКБ от солнечных панелей, осуществив при этом компоновку, размещение элементов и разработку печатной платы радиоэлектронного функционального узла (РЭФУ);

· для обеспечения низкой стоимости и высокой надежности устройства применять элементы высокой степени интеграции, простые схемотехнические и конструкторские решения, с учетом необходимого уровня функциональности изделия;

· провести имитационное моделирование разработанного устройства и осуществить определение его основных характеристик.

Объект исследования. Объектом исследования в данной работе являются электрохимические зарядно-разрядные процессы, происходящие в аккумуляторных батареях.

Предмет исследования. Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели.

Практическое значение результатов. Возможность заряда аккумуляторов различных типов - Ni-Cd, Li-Ion, Ni-Mh, имеющих разную ЭДС и ёмкость. Данное устройство можно использовать, также, для питания всевозможной радиоэлектронной аппаратуры: мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков, навигаторов, видеокамер, мобильных осветительных установок, имеющих существенно отличающиеся характеристики по устройству питания.



1. Аналитический обзор

1.1 Солнечная энергетика

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в любом виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производит вредных отходов.

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. Первый способ более широко используемый, а другой высокотехнологичный, но дороже.

Наиболее широко на сегодня используется фототермический способ преобразования солнечной энергии. В данном случае теплоноситель, обычно вода, нагревается до высокой температуры и используется для отопления помещения. Солнечная батарея устанавливается на крыше дома так, чтобы солнечный свет был наиболее эффективно направлено на его площадь. Поскольку энергия солнечного излучения распределяется на большую площадь (то есть, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь устройство для ее сбора -- коллектор с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода -- это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. Между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и др. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающей среды. В этом проявляется так называемый парниковый эффект.

Фотоэлектрический способ. По мнению экспертов, будущее солнечной энергии связанно с прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов -- солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразованиях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов.

Эффективность современных кремниевых фотоэлементов достаточно высока. Их КПД достигает 10-20%, а чем выше КПД, тем меньше нужна площадь солнечных батарей.

Используя энергию солнца, можно ежегодно экономить традиционные источники отопления:

- до 75% -- для горячего водоснабжения в течение года;

- до 95% -- для горячего водоснабжения при сезонном использовании;

- до 50% -- только с целью отопления;

- до 80% -- с целью поочередного отопления.

Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства.

1.2 Солнечные элементы и их структура

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество (рис. 1.3).

Большая часть СЭ, выпускаемых коммерчески, изготавливается из кремния (химический символ Si).

Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, является диоксидом кремния, также известного под именем "кварцит". Другая область применения кремния - электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Прежде всего, в СЭ есть задний контакт и 2 слоя кремния различной проводимости.

Сверху есть сетка из металлических контактов и антибликовое покрытие просветляющее которое дает СЭ характерный синий оттенок.

Рисунок 1.1 - Структура солнечного элемента из кремния: 1 - свет (фотоны); 2 - лицевой контакт; 3 - отрицательный слой; 4 - переходный слой; 5 - положительный слой; 6 - задний контакт.

1.3 Характеристики солнечных элементов

Способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873 г., Когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов.

В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Преобразование энергии в солнечных элементах основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Использовать энергию солнечных элементов можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества, падающего на его поверхность света. Например, набежали облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут разброс выходных параметров элементов одной партии. Итак, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току.

Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами, для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ) изображенных на рис 1.4.

Рисунок 1.2 - ВАХ кремниевых солнечных элементов

Напряжение холостого хода, генерируемого одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы производителя к другой и составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. Ток зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым имеется в виду площадь его поверхности.

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялась 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токо-съемочными сетями, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простой батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно соединить параллельно, получив так называемое последовательно - параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25°С он теряет в напряжении 0,002 В, то есть 0,4%/градус. На рисунке 1.5 приведены семейство кривых В АХ для температур 25 ° С и 60°С.

Рисунок 1.3 - Семейство кривых ВАХ для температур 25°С и 60°С.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70°С теряя 0,07-0,09В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16%. Это означает, что элемент размером 100x100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие:

освещенность 1000 Вт / м;

температура 25°С;

спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45°С).

1.4 Основные элементы солнечной электростанции и их особенности

1.4.1 Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

Солнечные батареи - это звено солнечной электростанции, которое производит электрическую энергию (постоянный ток) под действием солнечного света фотонов, поступающих при прямом и рассеянном солнечном излучении. Общая мощность солнечных батарей и их количество зависят от того, сколько электроэнергии нужно в сутки. Совершенно очевидно, что чем больше электроэнергии нужно, тем более должны производить солнечные батареи за световой день, и тем больше должна быть их общая мощность. Поэтому, общая мощность солнечных батарей определяется суточной потребности дома в электрической энергии.

Солнечные батареи, могут быть изготовлены на основе кремния разного качества (чистоты): монокристаллического, поликристаллического, аморфного. На рисунке 1.6 пример солнечной батареи на основе фотоэлектрического модуля. Качество кремния влияет на срок службы солнечной батареи, на ее производительность, и на ее стоимость. Также на стоимость, надежность, долговечность и эффективность влияет множество других параметров солнечной батареи: качество стекла и подложки, качество профиля, сбор коробки и т.д.



Рисунок 1.4 - Фотоелектрический модуль

1.4.2 Контроллер заряда аккумуляторных батарей

Контроллер заряда управляет процессами заряда блока аккумуляторных батарей от солнечных батарей (рис. 1.8). Контроллеры заряда различаются по алгоритмам заряда оn/off, pwn, mppt. От алгоритма заряда зависит: полностью используется емкость аккумуляторных батарей (для алгоритма оn/оff заряд до 90% от емкости), срок службы аккумуляторных батарей, полностью будет использована мощность солнечных батарей (контроллеры работают по алгоритму mррт позволяют снимать на 10-30% больше энергии из солнечных батарей).

Рисунок 1.5 - Контроллер заряда аккумуляторных батарей

Устройствами наиболее адаптированными к условиям эксплуатации, емкости и напряжению аккумуляторных батарей является МРРТ - контролеры. МРРТ - контроллеры представляют собой последнее поколение контроллеров заряда с лучшей технологии преобразования энергии, генерируемой фотомодулей. Аббревиатура МРРТ (Maximum power point tracker) - слежения за точкой максимальной мощности (ТМП). Эти контроллеры сами выбирают оптимальное соотношение напряжения и тока, которые снимаются с фотомодулей. Такие контроллеры снимают более высокое напряжение с солнечных батарей и конвертируют ее в оптимальное напряжение для заряда аккумуляторных батарей (АКБ).

Оптимальное напряжение фотомодуля почти всегда отличается от напряжения на АКБ. Для стандартных 12 В аккумулятора необходимо выдерживать заряд напряжением 14,4 В течение 2-4 часов. Эта стадия называется стадией абсорбции (насыщения).

При слабой освещенности, когда напряжение на фотомодулях ниже напряжения аккумуляторной батареи и как следствие отсутствие заряда, МРРТ контроллеры повышают это напряжение и заряд все равно происходит. МРРТ контроллер все время следит за током и напряжением на фотомодулях, умножает их значение и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность солнечной батареи максимальна. Процессор следит за стадией заряда, в которой находится аккумулятор (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании этого регулирует ток, подаваемый в АКБ.

Также процессор может давать индикацию параметров на табло (при наличии), хранить данные и т.п.

Применение МРРТ контроллеров позволяет получать от солнечных батарей на 15-30% больше электроэнергии по сравнению с другими контроллерами.

Если рассмотреть стандартную вольтамперную характеристику фотоэлектрического модуля, можно отметить, что произведенная электроэнергия может быть увеличена, если контроллер заряда отследит точку максимальной мощности фотомодуля (рис. 1.9).



Рисунок 1.6 - Изменение напряжения в точке максимальной мощности при различных температурах модуля

Точка максимальной мощности может исчисляться различными способами. Как правило, контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода к напряжению на аккумуляторе. Точка максимальной мощности будет находиться где-то в промежутке между этими значениями.

Положение точки максимальной мощности зависит от ряда факторов - от освещенности, температуры модуля, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер время от времени пытается слегка "отойти" от найденной точки в обе стороны, и если мощность при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке. Теоретически, при поиске ТМП теряется немного энергии, но эта потеря очень незначительна по сравнению в той дополнительной энергии, которую обеспечивает МРРТ контроллер.

С помощью постоянного преобразования напряжений контроллер поддерживает различное напряжение на входе и выходе. Количество дополнительно полученной энергии, которую дают МРРТ контроллеры, сложно однозначно оценить численно. Основными факторами, влияющими на дополнительную выработку, являются температура и уровень заряженности аккумуляторной батареи. Наибольшая добавка будет заметна при низких температурах модуля и разряженных АКБ.

Напряжение может изменяться в точке максимальной мощности при различных температурах модуля, чем больше нагретый солнечный модуль, тем ниже его напряжение, и, соответственно, вырабатываемая энергия фотомодуля.

Поэтому, как правило, при использовании МРРТ контроллеров солнечные модули собирают на более высокое напряжение. Основная масса контроллеров отслеживает точку максимальной мощности в достаточно широких пределах. Такое решение позволяет увеличивать выработку энергии солнечной батареей при низкой освещенности. Однако не следует делать слишком большую разницу между входной и выходным напряжением, так как это приводит к снижению КПД контроллера.

Основные преимущества контроллеров МРРТ:

- отсутствие потерь при заряде АКБ;

- оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей;

- повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде;

- возможность использовать более высокую входное напряжение от фото-модулей;

- позволяет уменьшить сечение кабелей;

- позволяет увеличить дистанцию от панелей к контроллеру.

Сравнительная диаграмма генерации энергии фотоэлектрической системы с ШИМ-контролером и МРРТ представлена на рисунке 1.10.

Рисунок 1.7 - Сравнительная диаграмма PWM контроллера и МРРТ



Как видно из диаграммы, прирост электроэнергии в год системой с МРРТ контроллером против ШИМ составляет около 20%.

В приведенном ниже графике (рис. 1.11) показано, как при определенном значении напряжения сила тока начинает резко падать. Вместе с силой тока падает мощность, а, следовательно, уменьшается эффективность использования батареи. Для того, чтобы использовать всю мощность батареи, были разработаны специальные контроллеры заряда, которые могут отслеживать точку максимальной мощности.

Рисунок 1.8 - Реальный график мощности и тока солнечной батареи 80 Вт в зависимости от напряжения

Принципиальное отличие контроллера заряда МРРТ от всех остальных заключается в том, что он находит и отслеживает точку максимальной мощности солнечной батареи и использует всю доступную мощность путем широтно-импульсного преобразования при всех режимах заряда, а не только при последнем режиме для поддержки предельного напряжения зарядки. Таким образом, использование МРРТ контроллера позволяет увеличить количество используемой солнечной энергии от одной и той же батареи на 10-30% в зависимости от глубины разряда аккумулятора.

1.4.3 Инвертор

Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока аккумуляторных батарей в переменный с необходимыми параметрами (АС 230В, АС 380В, чистая или модифицированная синусоида 50Гц). Некоторые модели инверторов обладают расширенными функциями: автоматический ввод резерва, запуск генератора, встроенный контроллер заряда или интерфейс для совместной работы с контроллером заряда.

Основной параметр при выборе инвертора - это номинальная мощность нагрузки и пусковые токи нагрузки. Мощность инвертора определяется на основе суммарной мощности (кВт или кВА) и суммарных пусковых токов электрических потребителей дома, подключаемых к солнечной электростанции. То есть мощность инвертора должна быть не менее общей мощности электрических потребителей дома, подключаются к этому инвертора. А часто и большей, если присутствует оборудование с высокими пусковыми токами.

1.5 Существующие схемотехнические решения устройств преобразования солнечной энергии

1.5.1 Простые схемотехнические решения

Рисунок 1.9 - Схема зарядного устройства от солнечной батареи

В данном зарядном устройстве используется 12-ти вольтовая солнечная батарея со стабилизатором напряжения. Солнечная батарея состоит из солнечной панели по 1,2 вольта. 12-ти вольтовая солнечная батарея способна заряжать 12-ти вольтовый автомобильный аккумулятор.

Ток от солнечных элементов, через диод D1 поступает на стабилизатор напряжения LМЗ17. Вывод ADJ (регулирования) позволяет регулировать выходной ток и напряжение. Для зарядки необходимо напряжение 9В, которая получается, путем подстройки переменного резистора VR. Резистор R3 ограничивает ток заряда, а диод D 2 служит для предотвращения разряда аккумулятора.

Транзистор T1 и стабилитрон ZD служат для исключения зарядки после того, как аккумулятор превышает 6,8В, стабилитрон открывается и ток поступает на базу транзистора Т1, который также отказывается и ток от LМЗ17 теперь проходит через него на минус источника питания.

Источник питания на солнечной батарее

Пример источника питания на солнечной батарее может быть собран по схеме, изображенной на рисунке 1.17.

Рисунок 1.10 - Схема источника питания на солнечной батарее

Аккумуляторные батареи GВ1 и GВ2 подзаряжаются от солнечной батареи GL1. Диод VD1 не допускает их разрядки через солнечную батарею, когда ее напряжение ниже номинального значения, в результате недостаточного освещения.

Нажимая на кнопки SВ1-SВЗ, которые контролируют напряжение батарей, подключая к ним через балластный резистор R1 миллиамперметр РА1. Ток, потребляемый при измерении, намеренно выбран достаточно большим (около 100 мА). Это позволяет более точно оценить освещенность солнечной батареи и степень заряженности аккумулятора.

1.5.2 Cхемотехнические решения средней сложности

- Принципиальная схема устройства слежения за солнцем изображена на рисунке 1.18, схема содержит микросхему операционного усилителя

LM1458 (К140УД20), транзисторы ВБ139 (КТ815Г, КТ961А) и ВБ140

Рисунок 1.11 - Принципиальная схема устройства слежения за солнцем

- Схемы питания микроконтроллеров от солнечных элементов На рисунке 1.19 различные схемы питания от солнечных элементов.

Рисунок 1.12 - Различные схемы питания от солнечных элементов



а) малогабаритная солнечная батарея ОВ1 в планарном корпусе SOIC - 16. Ее энергии достаточно для питания МК, работает в максимальном режиме с низкой тактовой частотой 32768 Гц. Максимальный ток обеспечивается при прямом солнечном освещении или поблизости от яркой лампы накаливания. Замена солнечной батареи GВ1 - СРС1822 фирмы IXYS;

б) GВ1 ... GВ8 - это сборная солнечная панель, состоящая из восьми батарей фирмы IXYS. Каждая батарея выдает напряжение 0,63 В при токе 24 мА с высоким (17%) КПД;

в) напряжение от солнечной батареи ОВ1 одновременно заряжает;

Рисунок 1.13 - Различные схемы питания от солнечных элементов

г) совместная работа солнечной батареи GВ1 и аккумулятора GВ2. Как только напряжение на выходе аккумулятора становится меньше +4,6 В, супервизор DA1 закрывает транзистор VТ1 и энергия начинает поступать от солнечной батареи. Диод VD1 предотвращает разряд аккумулятора GВ2 через открытый транзистор VТ1;

д) нестандартное применение более ярких светодиодов HL1 ... НL6 в качестве солнечных элементов для питания микромощных конструкций, в том числе и с применением МК. Выходное напряжение одного светодиода составляет 1,65 В при токе 25 мкА. Используется принцип световой оборачиваемости, или принцип частичной взаимозаменяемости светодиодов и фотодиодов;

е) совместная работа солнечной батареи GВ1 и аккумулятора GВ2. На транзисторах VT1, VТ2 собранный DС/DС-преобразователь по схеме блокинг- генератора с регулированием напряжения резистором RЗ. Трансформатор ТI наматывается на ферритовых кольцах диаметром 7-10 мм и содержит в первичной обмотке 20 витков, а во вторичной - 35 витков провода ПEВ-0,3;

ж) промышленная солнечная батарея GВ1 может служить бесплатным источником энергии для питания мобильных телефонов в тех местах, где по статистике наблюдается большое количество солнечных дней в году. Использовать такую батарею для питания самодельных конструкций из МК.

1.5.3 Сложные схемотехнические решения

Как видно из схемы на рисунке 1.17, энергия света, превращенная солнечными батареями в электрическую, поступает на вход модуля СВС5300. Включен в модуль преобразователь step up, работающий в диапазоне входных напряжений от 0,5 V до 4,1 V, поднимает напряжение до 4,1 V. Этим напряжением заряжают два твердотельных аккумулятора СВС050 емкостью 50 mkAh и напряжением 3,8 V. Одновременно с зарядом аккумуляторов, заряжается и конденсатор емкостью 1000 ТКР, установленный в модуле СВС - SЕН-01.



Рисунок 1.14 - Принципиальная схема модуля солнечной батареи СВС-SHE-01

Эти аккумуляторы и конденсатор не дадут упасть напряжению питания микроконтроллера при работе радио модуля датчика. Питание 3,5 V, стабилизированную модулем СВС5300 поступает на беспроводной датчик T430 - RF2500Т через разъем J1 модуля.



Выводы по разделу

В результате изучения материалов аналитического обзора, в качестве разработки выделенный контроллер заряда аккумуляторной батарей от солнечных модулей.

Из рассмотренных вариантов наиболее перспективным решением, при построении контроллера, представляется МРРТ-контроллер - поиск ТОЧКИ максимальной мощности (ТМП).

Данному вопросу и будут посвящены следующие разделы.

На основании приведенной в аналитическом обзоре информации и тщательного рассмотрения ключевых и наиболее значимых моментов данной темы составим структурную схему устройства.



2. Разработка структурной схемы

Опишем общую структуру всей фотоэлектрической системы. Основными элементами являются: солнечная панель, контроллер заряда и аккумуляторная батарея. Солнечная панель является источником энергии. Контроллер заряда обеспечивает отбор максимальной мощности от солнечной панели при изменении условий окружающей среды (температуры солнечного модуля, уровня освещенности, угла падения светового потока, географического расположения и т.д.).

На рис. 2.1 показана структурная схема контроллера заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели.

Рисунок 2.1 - Структурная схема контроллера заряда с питанием от солнечной батареи

Импульсный преобразователь, служит основным элементом заряда аккумуляторной батареи и выступает исполнительным элементом в системе контроля за точкой максимума на кривой мощности солнечного модуля.

Датчик тока и датчик напряжения, необходимые для определения величины тока и напряжения соответственно. В дальнейшем происходит оцифровка сигнала с датчиков и использования этих значений для расчета мощности и контроля заряда аккумуляторной батареи. Блок умножения служит для вычисления мощности, которая определяется путем перемножения тока и напряжения.

Аналого-цифровой преобразователь - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя.

Драйвер - электронный компонент для управления преобразователем. Используется для усиления, формирования фронта и спада управляющих импульсов.

Микроконтроллер, является основой всего устройства и выступает основой интеллектуальной системы управления процессом заряда аккумуляторной батареи и отбора максимальной мощности от солнечного модуля.

Аккумуляторная батарея, имеет свойство после разряда восстанавливать свою способность отдавать ток во внешнюю цепь, если через нее пропустить ток в обратном направлении, то есть если произвести ее заряд. Запасая энергию в период избытка, подают ее в систему в период недостатка при недостаточном освещении фотоэлементов или при временном росте потребления.

Блок клавиатуры для выбора той или иной аккумуляторной батареи из перечня (базы данных) занесенного в память микроконтроллера. Жидкокристаллическая индикация- LSD дисплей необходим для удобства визуального "диалога" между пользователем и устройством. Питание аккумулятора осуществляется с помощью солнечной батареи. Для стабильного подпитки и соответственно заряда аккумулятора, необходимо отбирать максимально возможную мощность от солнечного модуля. Роль регулятора отбора максимальной мощности выполняет - блок перемножения (вычисляет мощность, является результатом произведения измеренного тока и напряжения) и микроконтроллер, который в свою очередь вносит возмущения в систему путем изменения напряжения нагрузки и наблюдает реакцию этой системы, тем самым и проявляя максимум на кривой мощности солнечной батареи.

Микроконтроллер так же берет на себя функции управления преобразователем. Формирует импульсы установленной продолжительности для увеличения или уменьшения напряжения нагрузки с целью определения максимума отобранной мощности, или не формирует (отключение нагрузки) в случае полного заряда аккумулятора.



3. Разработка алгоритма работы устройства

При подключении контроллера заряда к аккумуляторной батарее, пользователю предоставляется возможность ввести параметры нагрузки, а именно: максимальное и минимальное напряжение аккумуляторной батареи. Минимальный уровень напряжения должен быть задан для предотвращения полного разряда аккумуляторной батареи. Если этот параметр не вводится пользователем, то минимальное напряжение, при котором будет включен процесс зарядки, по умолчанию принимается на уровне 90% от максимального напряжения аккумуляторной батареи. После ввода параметров нагрузки выполняется проверка состояния батареи.

Далее реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Проводится расчет мощности, отбираемая от фотоэлектрического модуля, и сравнение ее величины с предыдущим значением. Если мощность на выходе контроллера заряда увеличивается, то на следующем шаге положение рабочей точки снова меняется в этом направлении. Шаг изменения напряжения определяется разрядностью микроконтроллера и максимальным напряжением солнечной батареи:

Где h - шаг смены напряжения, В;

Umax.PV - максимальное напряжение солнечной батареи, В;

n - количество разрядов микроконтроллера.

Одновременно с процессом определения максимальной точки происходит отслеживание уровня заряда аккумуляторной батареи. Если напряжение на нагрузке больше максимально допустимого (задается пользователем), то процесс заряда приостанавливается. Если же напряжение на аккумуляторной батарее падает до минимального значения, то процесс заряда снова восстанавливается.

Блок-схема описанного алгоритма работы контроллера заряда приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Алгоритм работы устройства

Подпрограмма проверки уровня заряда аккумуляторной батареи приведена на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Подпрограмма проверки уровня заряда аккумуляторной батареи.



4. Разработка устройства и расчет его элементов и узлов

4.1 Выбор солнечной панели

Разрабатываемое устройство является "монолитным" и его невозможно четко разделить на конкретные функциональные блоки. Можно лишь оговориться о том, что функцию отбора максимальной мощности выполняют такие элементы как: микроконтроллер, импульсный преобразователь, датчик тока, датчик напряжения, блок умножения, аналого-цифровой преобразователь.

Основным элементом всей системы является солнечная панель (СП). Так как устройство, которое разрабатывается, рассчитано на заряд аккумуляторной батареи переносных электронных устройств, поэтому солнечная панель должна быть портативной, компактной, удобной при транспортировке и использовании.

Солнечные панели выполняются по поликристаллической и монокристаллической технологии. Преимуществом поликристаллических СП является возможность эффективно работать на рассеянном солнечном свете, но КПД их ниже, чем у монокристаллических СП. Монокристаллические СП обеспечивают высокий КПД - до 20%, но их энергоотдача существенно зависит от условий освещенности.

Из многочисленного выбора СП, предпочтение отдано портативной солнечной панели Acmepower SP-18W, мощностью 18Вт. Она предназначена для обеспечения автономного питания портативной техники.

Технические характеристики солнечной панели Acmepower SP-18:

· панели солнечной батареи из монокристаллического кремния с КПД 16%;

· суммарная мощность солнечных панелей (при 1000 Вт/м²): 18 Вт;

· рабочее напряжение солнечной панели: 17,5 В;

· напряжение холостого хода 21 В;

· максимальный ток в точке рабочего напряжения: 1 А;

· ток короткого замыкания 2,55 А;

· вес 1,1 кг;

· размеры в сложенном виде 295мм / 240мм / 20мм.

4.2 Выбор импульсного преобразователя

В связи с тем, что в алгоритме отбора максимальной мощности предполагается процесс моделирования напряжения нагрузки, путем увеличения или уменьшения уровня напряжения, а так же в связи с тем, что устройство заряда рассчитано на различные виды АКБ с различными ЭДС, в данном случае целесообразно применить ИППН повышающе-понижающий.

При построении микропроцессорной системы целесообразно использовать микросхему импульсного преобразователя напряжения. Из большого перечня доступных импульсных повышающе-понижающих преобразователей напряжения рационально применить микросхему LТМ4607, так как она обладает необходимыми свойствами и параметрами. А именно, данный преобразователь способен регулировать выходное напряжение при различных напряжениях на входе устройства (больше, меньше или равным исходному). LТМ4607 работает при входных напряжениях от 4.5 В до 36 В, позволяет изменять выходное напряжение от 0.8 В до 24 В, обеспечивает выходной ток 5А. Схема LTМ4607 включает в себя синхронный понижающий - повышающий DС/DС контроллер, 4 МОSFЕТ-транзистора (К-канал), схему компенсации. Упрощенная блок-схема импульсного преобразователя постоянного напряжения LТМ4607 представлена на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - Упрощенная блок-схема импульсного преобразователя постоянного напряжения LТМ4607

На рисунке 4.2 представлена схема подключения преобразователя.

Рисунок 4.2 - Схема подключения импульсного преобразователя постоянного напряжения LТМ4607



Построение обвязки микросхемы, номиналы конденсаторов, резисторов индуктивности взяты из технической документации на данный импульсный преобразователь как рекомендуемые.

В качестве драйвера была выбрана микросхема IR2121. IR2121 - драйвер быстродействующего силового МОП-транзистора или IGВТ-транзистора с защитной схемой для ограничения тока. Устойчива к замыканию КМОП-технология позволила создать монолитную конструкцию. Логические входы совместимы со стандартными КМОП или LSТТL выходами. Выходы драйверов отличаются высоким импульсным током буферного каскада, выполнен для минимизации встречной проводимости драйвера.

Схема защиты определяет перегрузки в управляемом транзисторе и ограничивает управляющее напряжение затвора. Время выключения программируется внешним конденсатором, который непосредственно руководит интервалом времени между определением условия перегрузки по току и срабатыванием. Схема подключения драйвера IR 2121 показана на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3- Схема подключения драйвера IR 2121

4.3 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер - это микросхема, предназначенная для управления электронным устройством, которое разрабатывается. Кругом приоритетных задач, которые выполняет МК является сравнение рассчитанных мощностей "отобранных" у солнечной батареи; хранения в памяти микроконтроллера перечня типов используемых аккумуляторных батарей; отмены процесса заряда АБ при превышении номинального напряжения и наоборот восстановления заряда при ее падении на установленный пользователем уровень.

И основной задачей для МК конечно же остается формирование возмущающих импульсов для повышения (снижения) напряжения нагрузки с целью отслеживания и содержание экстремума на кривой мощности солнечной батареи.

Принимая во внимание все условия работы микропроцессорной системы в целом, те требования предъявляемые к МК, а именно: большое быстродействие (так как все процессы по поиску максимальной рабочей точки динамические и требуют быстрой обработки данных), надежность, встроенная энергонезависимая память.

Все эти факторы заставляют прибегнуть к применению микроконтроллера 1986ВЕ92У, построенного на базе высокопроизводительного процессорного RICS ядра АRМ СоrTех-МЗ.

На рисунке 4.4 приведена схема подключения микроконтроллера.



Рисунок 4.4 - Схема подключения микроконтроллера

Тактовая частота данного микроконтроллера составляет 80 МГц. Как показано выше на рисунке 4.4 подключаем к МК внешний кварцевый резонатор ВQ1 на 80 МГц, который включен по стандартной схеме, с погрузочными конденсаторами С11 и С12.

Кнопка SВ1 в совокупности с резистором R11 с номиналом 10 кОм и конденсатором С8, с номиналом 100 нФ, заведена на вход RESET (сигнал внешнего сброса) для того, чтобы в случае "зависания" перезапустить МК. Все номиналы элементов и схема включения взяты из документации на данный микроконтроллер.



4.4 Выбор и расчет компаратора с гистерезисом

Поскольку одним из ключевых моментов при проектировании устройства является контроль заряда аккумуляторной батареи, другими словами исключения возможности ее перезаряда или недозаряда, ведущий к потере ею установленной номинальной емкости, то для сравнения заданной величины напряжения и данных, считываемых с датчика напряжения целесообразно использовать компаратора с гистерезисом. Выбор объясняется тем, что в компараторе в условиях повышенного уровня помех, при медленно меняющихся входных сигналах или когда приоритетным является снижение вероятности ошибочных переключений, возникает необходимость формирования передаточной характеристики с гистерезисом за счет введения положительной обратной связи. В этом случае сигнал подается на инвертирующий вход компаратора, а на неинвертирующий вход через резистивный делитель подается сигнал с прямого выхода. Соотношение сопротивлений резисторов обратной связи устанавливает ширину петли гистерезиса.

В качестве компаратора была выбрана микросхема АD8561.

Схема подключения компаратора с гистерезисом приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Схема включения компаратора с гистерезисом



Компаратор может питаться как разнополярным так и однополярным положительным напряжением +5 В. Делитель напряжения, состоящий из двух резисторов R4, R5, необходим для снижения напряжения на входе компаратора к 4,5В (рабочее напряжение) .Учитывая, что максимальное входное напряжение составляет 20 В , а рабочее напряжение компаратора 4,5 В, зададимся одним из сопротивлений делителя. R4 = 10 кОм.

Далее из пропорции представленной ниже в формуле (4.1) вычислим значение сопротивления R5:

(4.1)

По ряду Е24 выбираем наиболее приближенное

Для определения значений резисторов R6, R7, R8 необходимо знать уровни порогов петли гистерезиса Vth и Vtl. Верхний порог (Vth) составляет 15,05 В, нижний (Vtl) 14,95 В.

Далее задаемся резисторами R6 и R7. Потому как при расчетах важно учитывать, что через резисторы R6 и R7 течет постоянный ток, поэтому их суммарное значение должно быть не менее 1 кОм. Кроме того, это значение не должно выше 10 кОм от этого зависит значение резистора R10. Отсюда принято брать R6 = 10 кОм и R7 = 8,2 кОм.

После представлен алгоритм расчета сопротивления R8:

(4.2)

(4.3)

, (4.4)

(4.5)

По ряду Е24 выбираем наиболее приближенное значение сопротивления R8- равно 220 кОм. Резисторы выбираются из серии С2-ЗЗН, мощностью 0,125 Вт.

солнечный контроллер заряд батарея

4.5 Выбор умножителя

Аналоговый умножитель необходим для умножения значений тока и напряжения с целью определения максимума на кривой мощности и вместе с тем отбора максимальной мощности от солнечного модуля.

Практически все современные аналоговые умножители построены на основе двух дифференциальных усилителей (ДУ), объединений симметрично-перекрестными связями, управления крутизной которых за счет перераспределения токов выполняет еще один ДУ.

В качестве такого аналогового умножителя избран К525ПС2Б. Он является недорогим, легко доступным и зарекомендовал себя как надежный элемент в любой электронной системе. Схема подключения аналогового умножителя показана на рисунке 4.6.



Рисунок 4.6 - Схема подключения аналогового умножителя

Назначение подстроечных резисторов: R21 - коррекция нуля по входу Х0; R22 - коррекция нуля по входу Y0; R23 - коррекция нуля по входу Z0. На практике последовательность регулирования следующая: при нулевых напряжениях на входах Х0 и Y0 резистором R23 устанавливают ноль на выходе; подав на вход Х0 переменное напряжение амплитудой несколько вольт, резистором R22 добиваются минимального его проникновения на выход при нулевом напряжении на входе Y0; подав на вход Y0 переменное напряжение амплитудой несколько вольт, резистором R20 добиваются минимального его проникновения на выход при нулевом напряжении на входе X, R19- точка подстройки масштабного коэффициента 10 в знаменателе передаточной функции:

Вход Zin заведен в отрицательную обратную связь внутреннего операционного усилителя.



4.6 Выбор цифро-аналогового преобразователя

Исходя из того, что входной сигнал для компаратора является аналоговым, вследствие этого на выход микроконтроллера необходимо подключить цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП бывают как параллельного типа так и последовательного. Выбор остановлен на параллельном, так как при одинаковой скорости работы микроконтроллера, он будет обеспечивать более широкий диапазон выходных частот, благодаря тому, что пока на последовательный 8 битный ЦАП поступает по очереди за 8 циклов значение выходного напряжения в двоичном коде, в этих 8 циклов параллельный ЦАП сможет принять 8 значений. Выбор остановлен на модели АD7524. ЦАП имеет небольшие габариты, 8 разрядный, работает по параллельному интерфейсу. Диапазон рабочих температур -40±°С до + 85 ±°С. Схема подключения ЦАП приведена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 - Схема подключения ЦАП АD7524

4.7 Выбор аналого-цифрового преобразователя

Поскольку сигнал с аналогового умножителя поступает на микроконтроллер, то его необходимо оцифровать. Поэтому для преобразования аналогового сигнала в цифровой нужен аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

В качестве АЦП выбран АDС08161 со временем преобразования 560 нc, он использует архитектуру двустороннего АЦП со схемой выборки - хранения.

В нем есть внутренний источник опорного напряжения на ширине запрещенной зоны. Этот АЦП не требует внешней синхронизации и осуществляет аналого-цифровое преобразование в полном диапазоне амплитуд входных сигналов. Схема подключения АЦП приведена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 - Схема подключения АЦП АDС08161

4.8 Датчик тока

Так как для отбора максимальной мощности от солнечного модуля нам необходимо умножать ток на напряжение, следовательно для определения величины тока необходим датчик тока. Максимальный ток, который необходимо измерять составляет 0,78 А, что составляет десятую часть от емкости самой мощной аккумуляторной батареи, рассчитанной на данное устройство. В качестве датчика тока используется ИМС АСS712 5А 185 мВА.

Датчик, выполненный в виде микросхемы, состоит из высокоточного линейного датчика Холла, интегрированного на кристалл микросхемы, и медного проводника, расположенного близко к кристаллу. Электрический ток, протекая через проводник, создает магнитное поле, которое фиксируется датчиком Холла и преобразуется в напряжение, пропорциональное значению входного тока.

Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть определен с помощью АЦП микроконтроллера.

Схема подключения датчика тока показана на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Схема подключения датчика тока

К выводу 8 подключается фильтрующая емкость С13, что позволяет улучшить шумовые и точности характеристики датчиков. В качестве С13 используется К10-17Б 0,1 мкФ.

4.9 Датчик напряжения

Как и датчик тока, датчик напряжения необходим для определения величины напряжения, которое генерируется микроконтроллером (для определения максимальной мощности), а так же для отслеживания уровня заряда аккумуляторной батареи (с целью не допустить ее перезаряд или разряд). Датчик напряжения представляет собой совокупность резистивного делителя и операционного усилителя. Схема подключения датчика напряжения приведена ниже на рисунке 4.10.



Рисунок 4.10 - Схема подключения датчика напряжения

В качестве операционного усилителя выбрана микросхема ТL071. Преимуществами данного усилителя являются низкие гармонические искажения и низкий шум. Расчет резисторов проводим аналогично расчету делителя напряжения, который стоит перед компаратором. Задаемся одним из резисторов, например, R3 = 100 кОм и дальше из пропорции где U1 = 20В, U2 = 4,5В вычисляем К2 по формуле

(4.6)

По ряду Е24 выбираем наиболее приближенное значение сопротивления R2 равное 330 кОм. Резисторы выбираются из серии С2-ЗЗН, мощностью 0,125 Вт.

4.10 Выбор устройства индикации

Для взаимодействия между устройством заряда и пользователем, предусмотрено средство отображения информации. В качестве него взят жидкокристаллический дисплей на базе контроллера НD44780. LCD-дисплей имеет два ряда по восемь символов. LCD на базе HD44780 подключается к микроконтроллеру непосредственно к портам. Есть два способа подключения - на 8 бит и на 4 бита. В данном случае можно использовать подключение на 8 бит, так как достаточное количество выводов МК позволяют это сделать. Схема подключения LCD-дисплея приведена на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11- Схема подключения LCD дисплея

ЖКИ питается от источника напряжения +5В. В нем также предусмотрена регулировка контрастности выводимого изображения и реализовано переменным резистором сопротивлением R17 = 10 кОм. Выводы А и К необходимы для подсветки экрана. Схема включения и номиналы элементов взяты из технической документации.

Кнопки необходимы для ввода параметров нагрузки и для удобства пользования устройством.

Принимая во внимание тот факт, что используемый микроконтроллер имеет достаточное количество выводов, то нет необходимости строить матричную клавиатуру, с целью уменьшения количества используемых выводов.

В данном случае используется простое подключение кнопок от питания через ограничительный резистор на контакт МК, как показано на рисунке 4.12.

В качестве кнопки выбираем: ТS-А1РS, кнопка тактовая h = 4.3 мм.

Рисунок 4.12 - Схема подключения кнопок

Подтягивающие резисторы R12-R15 необходимые для того, чтобы при размыкании кнопки (ток непосредственно с шины питания поступает в МК), ограничить его. При отсутствии резистора и скачка напряжения питания, ток на входе МК может превысить предельно допустимый, что приведет к неисправности.

Расчет ограничительных резисторов ведется по формуле (4.7).

(4.7)

где Uн - это напряжение питания МК,

Imax - максимально допустимый ток для контакта МК.

Таким образом, величина сопротивлений равна

.



Резисторы берутся из серии С2-ЗЗН мощностью 0,125 Вт и по ряду Е24.

Все номиналы элементов взяты из технической документации на эту микросхему. Принципиальная схема устройства приведена в приложении А.



5. Расчет печатной платы устройства и электронного функционального узла устройства

5.1 Определение требований к механическим и климатическим воздействиям

Условия размещения электронного устройства определяют уровень воздействия на него механических и климатических факторов. Поэтому на стадии конструирования необходимо определить характер и уровень этих действий. К таким действиям относятся действие механической вибрации и ударов, температурные воздействия, повышенной и пониженной влажности и давления.

Определение требований к механическим и климатическим воздействиям осуществляется в соответствии с ГОСТ 15150-69.

Климатическое исполнение устройства - В (умеренный). Устройство предназначено для работы в районах с умеренным климатом, где изменение температуры от -45°С до + 45°С, изменение влажности до 80% при температуре 20 ° С. Категория размещения устройства - 1 (для эксплуатации на открытом воздухе).