張麗，紀(jì)永新，楊波，殷俊，張紅瑾

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000;2.安徽美能儲(chǔ)能系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

基于鋅溴電池的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張麗1，紀(jì)永新1，楊波2，殷俊2，張紅瑾2

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000;2.安徽美能儲(chǔ)能系統(tǒng)有限公司，安徽 蕪湖 241000)

針對(duì)能源緊缺以及化石能源的消耗致使環(huán)境污染問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于鋅溴電池的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)，系統(tǒng)包括太陽(yáng)電池、ATmega 48處理器、采樣電路、充電電路;通過(guò)控制器對(duì)鋅溴電池，太陽(yáng)能電池以及交直流負(fù)載的協(xié)調(diào)管理，使整個(gè)系統(tǒng)工作在一種高效，穩(wěn)定、安全的最佳狀態(tài)。

ATmega48;鋅溴電池;太陽(yáng)能;控制器

伴隨著工業(yè)化和信息化的推進(jìn)，人們對(duì)能源的需求在不斷的增加，化石能源的大量消耗所造成的環(huán)境壓力日益突出。因此，人們開始越來(lái)越廣泛地開發(fā)和利用可再生能源，并將風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源轉(zhuǎn)化為電能使用，但這些可再生能源受天氣的影響較大，具有不連續(xù)和不穩(wěn)定性，需要構(gòu)建一個(gè)配套的電能儲(chǔ)存裝置來(lái)保證發(fā)電、供電的穩(wěn)定性和可靠性。采用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)芯片，芯片為8位單片機(jī)，型號(hào)為ATmega 48作為核心處理器，采用精簡(jiǎn)指令集，具有強(qiáng)大的I/O口功能，A/D轉(zhuǎn)換電路;功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口;4 KB的可編程Flash，擦寫壽命可達(dá)一萬(wàn)次，512 B的片內(nèi)SRAM;6通道PWM，可用于控制輸出;可以工作在惡劣的環(huán)境條件下。ATmega 48作為控制器的核心芯片，負(fù)責(zé)管理太陽(yáng)能電池、鋅溴電池以及負(fù)載三者的協(xié)調(diào)工作，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行情況。

1 照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能照明系統(tǒng)由4個(gè)部分組成(圖1)，分別是太陽(yáng)能電池，控制器、鋅溴電池、逆變器以及交直流負(fù)載。其中控制器負(fù)載管理太陽(yáng)能電池、鋅溴電池、逆變器以及負(fù)載之間的協(xié)調(diào)工作，鋅溴電池將太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，逆變器根據(jù)負(fù)載工作的需要將鋅溴電池儲(chǔ)存的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電供給交流負(fù)載使用，如果負(fù)載是直流負(fù)載那么在控制器的作用下鋅溴電池直接給直流負(fù)載供電。

1.1 鋅溴電池技術(shù)

鋅溴氧化還原液流電池是一種將能量?jī)?chǔ)存在溶液中的電化學(xué)系統(tǒng)，是一種單沉積型液流電池，正負(fù)半電池由隔膜分開，兩側(cè)電解液均為ZnBr2溶液。電解液在儲(chǔ)液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)的原動(dòng)力為動(dòng)力泵。具有高的質(zhì)量比能量、高的能量效率、能夠快速充電、放電深度為100%時(shí)不損害電池，并且可以改善電池的狀況。

Zn－Br液流電池電解液為ZnBr的水溶液，負(fù)極為Zn，正極為Br2。負(fù)極反應(yīng)為Zn2＋＋2e－＝Zn，正極反應(yīng)為2Br－＝Br2＋2e－，充電過(guò)程電池反應(yīng)為ZnBr2＝Zn＋Br2。充電時(shí)鋅沉積在負(fù)極上，正極上溴離子失去兩個(gè)電子變成單質(zhì)溴。放電時(shí)，與充電過(guò)程相反，在負(fù)、正極上分別生成鋅和溴離子。

圖1 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

圖2 太陽(yáng)能電池等效電路

1.2 太陽(yáng)能電池技術(shù)

太陽(yáng)能電池可以等效一個(gè)平面比較大的二極管，在這個(gè)平面的上下表面各引出一個(gè)電極，所以在上表面和下表面接觸之處有電阻，在接觸面與引出的電極之間存在著漏電流，如圖2所示是太陽(yáng)能電池等效電路。太陽(yáng)能電池的輸出特性方程為

式(1)中:I是太陽(yáng)能電池輸出的工作電流;U是太陽(yáng)能電池輸出的工作電壓;Iph是光生電流;Id是二極管的飽和電流;q是一個(gè)電子的電荷量(1.6×10－19C);Rs是太陽(yáng)能電池材料的內(nèi)部的串聯(lián)電阻;n是二極管特性因子;k是玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10－23J/K);T是太陽(yáng)電池的溫度;Rsh是太陽(yáng)能電池材料的內(nèi)部并聯(lián)電阻。

一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，一般在分析時(shí)Rsh的阻值很大，而Rs的阻值卻非常的小，所以在實(shí)際的電路分析或工程計(jì)算當(dāng)中，通常將Rsh和Rs忽略不計(jì)目的是簡(jiǎn)化了分析的過(guò)程，Ro是外界負(fù)載的阻值。

2 照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，照明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)的核心處理器是ATmega 48，包括負(fù)責(zé)采樣的采樣電路、負(fù)責(zé)檢查的檢測(cè)電路、負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)功率管的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及液晶接口等組成。采樣電路主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集鋅溴電池、太陽(yáng)能電池的電壓、檢測(cè)電路在線檢測(cè)太陽(yáng)能電池，鋅溴電池、負(fù)載的工作狀態(tài);根據(jù)檢測(cè)電路的信息驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的導(dǎo)通;充電電路將太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的電能存儲(chǔ)在鋅溴電池中;保護(hù)電路具有過(guò)載、短路等保護(hù)功能，使整個(gè)系統(tǒng)工作在一種安全、可靠的狀態(tài)。

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部控制功能涉及的模塊所需的電能都來(lái)自于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的電能，太陽(yáng)能電池受外界的環(huán)境因素變化比較大，輸出的電能不穩(wěn)定，不能直接給各個(gè)模塊提供一個(gè)穩(wěn)定的電能，要想得到穩(wěn)定的電能供給系統(tǒng)中的模塊使用，通過(guò)LM2576電源穩(wěn)壓模塊的處理得到一個(gè)大小符合ATmega 48處理器和其他模塊工作所需的電能(圖4)。

2.2 鋅溴電池采樣電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)工作時(shí)為了掌握鋅溴電池的荷電狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)鋅溴電池的端電壓來(lái)確定鋅溴電池的工作情況，對(duì)鋅溴電池采用電阻分壓式的采集送給ATmega 48處理器進(jìn)行處理，獲取鋅溴電池的實(shí)時(shí)電壓，根據(jù)鋅溴電池的工作情況來(lái)決定對(duì)其進(jìn)行充放電的控制，使鋅溴電池工作在最佳的狀態(tài)給照明系統(tǒng)儲(chǔ)存能量(圖5)。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

圖4 電源電路

3 照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)是太陽(yáng)能獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)采集太陽(yáng)能電池的端電壓，將采集的信息經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送給ATmega 48進(jìn)行分析判斷，確定是白天還是夜晚，如果是白天就不需要負(fù)載燈照明，因此負(fù)載燈就不被點(diǎn)亮，系統(tǒng)執(zhí)行白天對(duì)應(yīng)的處理程序，鋅溴電池進(jìn)行電能儲(chǔ)存;反之則要執(zhí)行夜晚對(duì)應(yīng)的處理程序點(diǎn)亮負(fù)載燈進(jìn)行照明，此時(shí)通過(guò)鋅溴電池白天充電儲(chǔ)存的電能就要在控制器的作用下對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電點(diǎn)亮負(fù)載燈進(jìn)行照明。如圖6所示是照明系統(tǒng)主程序流程圖。

圖5 鋅溴電池采樣電路

圖6 照明系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種清潔、無(wú)污染的能源，隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸曾強(qiáng)，新能源已快速的被人們接收并利用到生活中，通過(guò)鋅溴電池充分利用白天的太陽(yáng)光能，將其轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存在鋅溴電池中，到了晚上給所需的負(fù)責(zé)燈提供電能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，節(jié)能環(huán)保、使用性強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

［1］孟琳.鋅液流電池儲(chǔ)能技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2(1):35－40

［2］張華民，張宇，劉宗浩，等.液流儲(chǔ)能電池技術(shù)研究進(jìn)展［J］.化學(xué)進(jìn)展，2009，21(11):2333－2340

［3］楊曉光，寇臣銳.太陽(yáng)能LED照明路燈充電器的研制［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(1):67－70

［4］張華民.儲(chǔ)能與液流電池技術(shù)［J］.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2012，1(1):58－63

［5］賈旭平.美國(guó)ZBB能源公司的鋅/溴液流儲(chǔ)能系統(tǒng)［J］.電源技術(shù)，2011，35(5):489－492

［6］周明龍，田麗，武昌俊，等.基于ARM的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通信分站的設(shè)計(jì)［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，30 (4):50－53

［7］DAVID M R，SUMMER R F.Initial Test Results from the Red Flow 5 kW，10 kWh Zinc－Bromide Module Phase I［R］.California:Sandia Nation Laboratory，2012

Design of Solar Lighting System Based on Zinc－Bromine Battery

ZHANG Li1，JI Yong-xin1，YANG Bo2，YIN Jun2，ZHANG Hong-jin2

(1.Huaibei Power Supply Company，Anhui Provincial Power Company of China State Power Grid，Anhui Huaibei 235000，China;2.Anhui Meineng Energy Storage System Co.，Ltd，Anhui Wuhu 241000，China)

According to the problems in energy shortage and environment pollution caused by fossil energy consumption，a solar lighting system based on zinc－bromine battery is designed，this system consists of solar battery，ATmega48 processor，sampling circuit and charging circuit，and an optimal high－efficient，stable and safe state of the whole system can be ensured by using a controller to make coordinative management on zinc－bromine battery，solar battery and DC＆AC load.

ATmega48;zinc－bromine battery;solar energy;controller

TK5

A

1672－058X(2015)01－0051－04

10.16055/j.issn.1672－058X.2015.0001.013

責(zé)任編輯:田靜

2014－05－16;

2014－06－16.

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(521200130M0A).

張麗(1982－)，女，河北博野人，工程師，從事電網(wǎng)自動(dòng)化與智能控制的研究.