太陽能低壓電源照明系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書緒論1.1研究背景隨著社會生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對電的需求日益劇增，進而對能源的需求也迅速增長?，F(xiàn)在人們常用的能源有煤炭，石油，原子能等。然而這些占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的，是不可再生的。據(jù)有關(guān)資料顯示：根據(jù)對石油儲量的綜合估算，可支配的化石能源的極限，大約為1180-1510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石油儲量大約在2050左右年宣告枯竭；天然氣儲備估計在131800-152900兆立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57-65年內(nèi)枯竭：煤的儲量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應(yīng)169年；鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀(jì)30年代中期；核聚變到2050年還沒有實現(xiàn)的希望。其實存在于世界中的能源還有許多，如太陽能、風(fēng)能、核能等，這些新能源目前還沒有得到很好的開發(fā)，可使用的時間難以估量。大力發(fā)展可再生能源用可再生能源和原料全面取代生化資源，進行一場新的工業(yè)革命，不僅是出于生存的原因，與之相連的是世界經(jīng)濟可獲得持續(xù)的發(fā)展。不僅如此，由于大量使用化石能源，全世界每年產(chǎn)生約1億噸溫室效應(yīng)氣體，已經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染，同時使得地球表面氣溫逐年升高；燃煤也會通過煤渣和煙塵放出大量有化學(xué)毒性的重金屬和放射性物質(zhì)，這都嚴(yán)重污染了人類的生存環(huán)境。面對嚴(yán)峻的現(xiàn)實，許多國家為此紛紛采取措施：積極提高能源效率、改善能源結(jié)構(gòu)、探索新能源和可再生能源的利用，以期達(dá)到經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展的目的。這其中，開發(fā)新能源和可再生能源以替代日益枯竭的化石能源就成為了決定未來人類社會、經(jīng)濟發(fā)展的最具影響力的因素之一，而在所有的可再生能源中，太陽能作為一種綠色能源，以其獨特的優(yōu)勢正在全世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛程度上的重視，成為世界各國爭相發(fā)展的新能源對象。到達(dá)地球的太陽能，在大氣圈外的太陽光強度為1.38kw/m2其中有30%向宇宙反射，剩余的70%可到達(dá)地球。太陽的壽命據(jù)推算達(dá)幾十億年，可以說太陽能取之不盡用之不竭。此外，太陽能不會產(chǎn)生二氧化碳等有害物質(zhì)，不會引起全球氣候變暖，是一種清潔能源?；鹆Πl(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等常受到地域的限制，而太陽能不存在地域差別。與其他能源相比，太陽能具有以下特點：（1）儲量巨大；（2）不會枯竭；（3）清潔能源；（4）不受地域限制；但太陽能光伏發(fā)電容易受到氣象條件的影響，不具備蓄電功能。因此，對于大容量的太陽能發(fā)電裝置，需要附加儲能設(shè)備，例如蓄電池組，或把太陽能發(fā)電系統(tǒng)和交流電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進行能量互補。此外，太陽能發(fā)電本身雖然沒有對環(huán)境造成污染，但太陽能電池和電力電子變換裝置的制造過程仍會造成環(huán)境污染。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們逐步奔入小康生活，隨處可以看到屋頂上放置著太陽能熱水器。太陽能的熱能已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而太陽能光伏發(fā)電卻沒有那么普及，主要是因為光伏發(fā)電成本較高。市場上太陽能電池的成本已經(jīng)降到每瓦25元，一個普通家庭每日用電在3kW左右，光是太陽能電池的成本就在75000元左右，再加上控制器和逆變器的成本，對于一個普通家庭還是無法承受的。太陽能光伏發(fā)電是一種清潔的能源，其意義不僅可以替代石化燃料發(fā)電，而且可以減少二氧化碳和有害氣體的產(chǎn)生。近年來，國家越來越重視太陽能光伏發(fā)電的前景。相信不久以后，太陽能光伏發(fā)電也會像太陽能熱水器那樣被人們廣泛的應(yīng)用[1-7]。1.2國外研究狀況1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，其轉(zhuǎn)換效率為4.5%，幾個月后提高到6%，從此光伏技術(shù)的研究與應(yīng)用進入了新的歷史階段。太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)自20世紀(jì)80年代以來持續(xù)高速發(fā)展，每年以30%～40%的速度遞增。光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用在當(dāng)今世界，特別是在非洲、南美、澳洲及亞洲等各國，普遍受到重視。20世紀(jì)90年代以前，太陽能光伏發(fā)電主要應(yīng)用在邊遠(yuǎn)的農(nóng)村無電地區(qū)以及遠(yuǎn)距離通訊、光伏水泵等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。為了鼓勵太陽能的開發(fā)和利用，各國政府分別積極制定各種優(yōu)惠政策來推動太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展。其中，以美日德等發(fā)達(dá)國家為主：（1）1996年，在美國能源部的支持下，美國政府開始了一項“光伏建筑物計劃”，投資20億美元，1997年美國政府在全世界率先宣布發(fā)起“百萬太陽能屋頂計劃”，2002年，美國的光伏電池生產(chǎn)總量達(dá)到112.9MW，計劃到2010年要求發(fā)電成本降到7.7美分/千瓦時。（2）日本政府一早在1974年就公布了“陽光計劃”，1993年又提出“新陽光計劃”，旨在推動太陽能研究計劃全面、長期地發(fā)展。日本相繼頒布了一系列鼓勵包括太陽能在內(nèi)的可再生綠色能源研究與應(yīng)用法規(guī)，極大地推動了日本光伏工業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用。2002年，日本的光伏電池生產(chǎn)總量已達(dá)到254.5MW，并且以世界最快的增長速度48.6%增長，到2010年一半以上的新居屋頂將安裝光伏太陽能系統(tǒng)。（3）德國政府是世界上最早和最積極倡導(dǎo)鼓勵光伏應(yīng)用的國家之一。1990年，德國政府率先推出“1000太陽能屋頂計劃”，1993年，德國首先開始實施由政府投資支持，被電力公司承認(rèn)的1000屋頂計劃，繼而擴展為2000屋頂計劃，1993年德國政府進一步提出了10萬光伏屋頂計劃，同時研究開發(fā)與建筑相結(jié)合的專用光伏組件等。1999年1月起開始實施“十萬太陽能屋頂計劃”。德國政府頒布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法國、荷蘭、西班牙都有類似的計劃，并投巨資進行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進程。從世界范圍來講，光伏發(fā)電己經(jīng)完成了初期開發(fā)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，其應(yīng)用范圍幾乎遍及所有的用電領(lǐng)域，并且光伏集中發(fā)電、光伏建筑等發(fā)展迅速，已逐漸成為市場主力[8-13]。1.3國內(nèi)研究狀況我國的光伏電池技術(shù)是從60年代發(fā)展空間用太陽能電池開發(fā)起步的，地面用光伏電池的生產(chǎn)是從1970年代初開始，主要的低成本技術(shù)以及生產(chǎn)能力則在80年代中期建立起來。80年代中期，我國光伏電池/組件總生產(chǎn)能力達(dá)到4.5MW，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。經(jīng)過十年的努力，我國光伏發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展，光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高。至90年代初中期，我國光伏產(chǎn)業(yè)己處于穩(wěn)定發(fā)展時期，生產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。“九五”期間，國家科委開始將太陽能屋頂系統(tǒng)列入國家科技攻關(guān)計劃，企業(yè)界率先在深圳和北京分別建成了17KW和7KW的光伏發(fā)電屋頂系統(tǒng)。從市場份額上，光伏發(fā)電在2000年前的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：通訊行業(yè)占40%-50%，農(nóng)村電氣化行業(yè)（主要包括戶用光伏系統(tǒng)和鄉(xiāng)村級光伏發(fā)電）占40%左右，其它領(lǐng)域占10%左右。為了推動光伏技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2003年10月，國家發(fā)展改革委員會、科技部制定出未來五年太陽能資源開發(fā)計劃，發(fā)改委“光明工程”將籌資100億用于推進太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，計劃到2005年全國光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量達(dá)到300MW。至2003年底，我國光伏產(chǎn)業(yè)總的生產(chǎn)能力達(dá)到38MW，太陽能電池/組件的實際生產(chǎn)量達(dá)到13MW。在市場方面，截至2003年底我國光伏系統(tǒng)累計裝機容量達(dá)到45MW。2004年，我國在深圳建成了亞洲最大并網(wǎng)太陽能光伏電站，電站總?cè)萘窟_(dá)1兆瓦，年發(fā)電能力約為100萬千瓦時；2008年北京奧運會，國家將太陽能光伏發(fā)電融入奧運建筑中，各奧運建筑大范圍采用太陽能等綠色能源利用技術(shù)；2005年2月28日第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議通過的《中華人民共和國可再生能源法》自2006年1月1日起正式施行，國家通過法律鼓勵可再生能源利用。在我國，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景是輝煌的。一方面，我國現(xiàn)在還有很多人生活在無電、缺電的西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，解決這些地區(qū)的用電問題，很大程度上依賴于太陽能及其它新能源的大規(guī)模應(yīng)用；另一方面，在東部沿海經(jīng)濟比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，利用太陽能發(fā)電作為補充或替代能源又將會給我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個新的發(fā)展空間[14-18]。1.4我國的太陽能資源及分類地球上太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關(guān)。資源豐度一般以全年總輻射量（單位為千卡/厘米2·年或千瓦/厘米2·年）和全年日照總時數(shù)表示。就全球而言，美國西南部、非洲、澳大利亞、中國西藏、中東等地區(qū)的全年總輻射量或日照總時數(shù)最大，為世界太陽能資源最豐富地區(qū)。我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時。我國西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原的總輻射量和日照時數(shù)均為全國最高，屬世界太陽能資源豐富地區(qū)之一；四川盆地、兩湖地區(qū)、秦巴山地是太陽能資源低值區(qū)；我國東部、南部、及東北為資源中等區(qū)。在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達(dá)2333KWh/㎡(日輻射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)：為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量6680-8400MJ/㎡，相當(dāng)于日輻射量5.1-6.4kwh/㎡。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達(dá)2333kwh/㎡（日輻射量6.4kwh/㎡），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。二類地區(qū)：為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為5850-6680MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量4.5-5.1kwh/㎡。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。三類地區(qū)：為我國太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5000-5850MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.8-4.5kwh/㎡。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地。四類地區(qū)：是我國太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量4200-5000MJ/㎡，相當(dāng)于日輻射量3.2-3.8KWh/㎡。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。五類地區(qū)：主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)，年太陽輻射總量3350-4200MJ/㎡，相當(dāng)于日輻射量只有2.5-3.2kwh/㎡。表1-1各地區(qū)資源分類類型地區(qū)年照時間數(shù)年輻射總量千卡/cm·年1西藏西部、新疆東南部。青海西部、甘肅西部2800-3300160-2002西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部、河北西北部3000-3200140-1603新疆北部、甘肅東南部。山西南部、山西北部、河北東南部、山東、河南、吉林、遼寧、云南、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部2200-3000120-1404湖南、廣西、江西、浙江、湖北、福建北部、廣東北部、山西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江1000-1400100-1205四川、貴州1000-140080-100太陽能輻射數(shù)據(jù)可以從縣級氣象臺站取得，也可以從國家氣象局取得。從氣象局取得的數(shù)據(jù)是水平面的輻射數(shù)據(jù)，包括：水平面總輻射，水平面直接輻射和水平面散射輻射。從全國來看，我國是太陽能資源相當(dāng)豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kwh/㎡以上，西藏最高達(dá)7kwh/㎡。1.5國內(nèi)光伏發(fā)電目前所存在的問題

目前，國內(nèi)光伏發(fā)電還存在如下問題：

（1）由于各種原因的限制光伏發(fā)電的裝機容量與火電機組和水電機組相比仍然較小，且分布較為分散，并網(wǎng)后協(xié)調(diào)性較差。隨著薄膜電池的推廣使用，光伏發(fā)電的成本可能會從原來每度光電薄膜電池的上網(wǎng)電價4元降至1元左右，在很大程度上降低了成本。但與目前的火電機組、水電機組甚至風(fēng)電機組發(fā)電成本相比較上網(wǎng)電價依舊較高，還無法在電力市場中參與競爭。

（2）太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)造價依舊較高，從而導(dǎo)致市場規(guī)模相對較小，達(dá)不到理想的規(guī)模經(jīng)濟程度，制約光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。作為本國可持續(xù)發(fā)展的一個環(huán)節(jié)，太陽能光伏發(fā)電要想進一步發(fā)展不僅需要政府的鼓勵政策以及優(yōu)惠補貼，更需要政府加大推動力度，建立起協(xié)調(diào)推進機構(gòu)，組織項目的具體實施，研究制定可行性強的支持政策，解決與之相關(guān)的資金、技術(shù)、法律和安全等問題[19]。1.6課題研究意義及內(nèi)容1.6.1課題研究意義我國人口眾多、住宅數(shù)多，照明用電量十分可觀。然而白熾燈（能耗高但光效低）使用比率依然很高，特別是在某些城鎮(zhèn)150W以上的大功率白熾燈泡使用率達(dá)23.4%以上，電力浪費十分嚴(yán)重。另一方面，我國仍有許多地區(qū)存在無電和缺電的現(xiàn)象，比如部隊的邊防哨所、郵電通訊中繼站、公路及鐵路的信號站、地質(zhì)勘探和野外考察工作站、農(nóng)牧區(qū)、海島駐軍、內(nèi)陸湖泊漁民、地處野外高山的微波站、航標(biāo)燈、電視差轉(zhuǎn)臺站、氣象站、森林中的燎望烽火臺、石油天然氣輸油管道、近海灘涂養(yǎng)殖業(yè)及沿海島嶼等。據(jù)統(tǒng)計，目前我國仍有大約4000萬人生活在無電地區(qū)。在貴州，這種情況更加嚴(yán)重。由于常年的經(jīng)濟落后和交通不便利，很多貴州的偏遠(yuǎn)山區(qū)生活條件艱苦、信息滯后、通信設(shè)施落后、連最基本的家庭照明用電都很難以得到保證。因此解決他們的用電問題對穩(wěn)固地方經(jīng)濟建設(shè)、增進國家穩(wěn)定等具有重要的意義。目前對于偏遠(yuǎn)山區(qū)，有采用電網(wǎng)送電和當(dāng)?shù)夭裼突蚱蜋C組發(fā)電。然而由于地理位置原因，架線送電路程遙遠(yuǎn)、線路成本高，而且山區(qū)電網(wǎng)的線路維護費用也很高、難以承受。如果靠當(dāng)?shù)夭裼突蚱蜋C組發(fā)電的話，由于燃料費用本身就高，再加上地處偏遠(yuǎn)，燃料運輸費用高，而且難以保障持續(xù)供電。因此，柴油或汽油機組發(fā)電只能作為緊急的電源使用。要切實解決這些地區(qū)的用電問題，必須利用當(dāng)?shù)氐目稍偕茉?。而太陽能是資源量最大、分布最普遍的可再生清潔能源，太陽能光伏發(fā)電可直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，具有良好的經(jīng)濟優(yōu)越性。1.6.2課題研究內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是太陽能發(fā)電的基本常識及太陽能電池的分類、太陽能電池的特點、太陽能電池的安裝；根據(jù)太陽能發(fā)電的特點，用控制器為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。本文重點介紹該系統(tǒng)的蓄電池的功能、特性、自放電、使用壽命、主要參數(shù)；太陽能充電控制器的設(shè)計。2系統(tǒng)整體概述2.1太陽能發(fā)電技術(shù)分類

目前,應(yīng)用的主要太陽能發(fā)電技術(shù)分類如圖2-1所示。其中，非聚光類太陽能熱發(fā)電技術(shù)有太陽池?zé)岚l(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電等；聚光類太陽能熱發(fā)電技術(shù)有塔式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電。較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。太陽能熱發(fā)電技術(shù)通過聚光產(chǎn)生高溫進而發(fā)電。效率較高，更具應(yīng)用前景。盡管世界各國研究太陽能熱發(fā)電技術(shù)已有多年。但目前只有槽式太陽能熱發(fā)電站實現(xiàn)了商業(yè)化示范運行。而塔式、碟式發(fā)電系統(tǒng)仍處于示范階段。本論文主要研究的是太陽能的光伏發(fā)電。圖2-1主要太陽能發(fā)電技術(shù)2.2太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。當(dāng)前，太陽能作為新型能源被人們廣泛的應(yīng)用，太陽能發(fā)電也成為了熱門的行業(yè)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）由于太陽能不受地域限制、無所不在的特點，可以將太陽能發(fā)電用于供電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)、遠(yuǎn)離大陸的海島燈塔、遠(yuǎn)離城市的山區(qū)小屋、山頂?shù)臒o線電轉(zhuǎn)播臺等最能發(fā)揮太陽能發(fā)電優(yōu)勢的地區(qū)。（2）太陽能發(fā)電采用分散型發(fā)電，一般只需滿足本區(qū)域的用電，無需遠(yuǎn)距離送電，故可以減少輸電損耗。（3）電源多樣化，可以安全可靠供電。常規(guī)能源有火力、水力、核電等；新能源則有風(fēng)力、太陽能等。多種能源發(fā)、供電，對于一個國家的安全、可靠供電有利，將不會依賴特定的燃料供給。特別是在發(fā)生自然災(zāi)害之際，學(xué)校、醫(yī)院、公園都需事先設(shè)置緊急的太陽能發(fā)電備用電源。（4）對城市供電高峰時的平峰貢獻(xiàn)。發(fā)電設(shè)備建設(shè)周期很長，運行以后無法在短時間內(nèi)增加尖峰負(fù)荷所需電力，而且城市供電的負(fù)荷十分不均衡。例如，白天比夜晚的用電量大，夏季由于用空調(diào)用電量比冬季用電量多。其對應(yīng)的方法，如核電就用抽水蓄能電站來平峰，黑夜負(fù)荷低時，就用多余的電力抽水；白天負(fù)荷高時，用蓄能水力發(fā)電以削平電力峰值。太陽能發(fā)電就可以在城市電力高峰時，與交流電網(wǎng)并網(wǎng)以補充峰值負(fù)荷的不足，起到平峰作用。一般在午時，太陽能發(fā)電能力達(dá)到頂峰，這樣剛好與城市用電的需求相吻合[21]。2.3太陽能照明系統(tǒng)組成太陽能照明系統(tǒng)利用太陽能電池的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，再用照明?；镜奶柲苷彰飨到y(tǒng)一般是由太陽能電池、控制器、蓄電池和燈具構(gòu)成，如圖2-2所示。如果交流負(fù)載，系統(tǒng)還必須配備逆變器。圖2-2太陽能照明系統(tǒng)框圖（1）太陽能電池板太陽能電池板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量來源部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。（2）控制器控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。（3）逆變器逆變器的作用就是將太陽能電池陣列和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給交流負(fù)載使用。（4）蓄電池蓄電池的作用是將太陽能陣列發(fā)出的直流電直接儲存起來，供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，當(dāng)日照量大時，除了供給負(fù)載用電外，系統(tǒng)還對蓄電池充電；當(dāng)日照量小時，這部分儲存的能量將逐步放出。（5）燈具作為太陽能照明系統(tǒng)的負(fù)載，理想的燈具既要高效照明，又要盡可能的降低功率損耗。2.4太陽能電池2.4.1太陽能電池工作原理太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而半導(dǎo)體中有電流流過。下面就硅晶體做成的半導(dǎo)體加以說明。眾所周知，摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子，稱為N型半導(dǎo)體；摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷，稱為P型半導(dǎo)體。若將兩者結(jié)合，稱為PN結(jié)，這就是半導(dǎo)體器件的最基本結(jié)構(gòu)。太陽能電池同樣是利用了PN結(jié)的光伏效應(yīng)。如圖2-3。在PN結(jié)中，P型半導(dǎo)體的電子受到拉力，N型半導(dǎo)體的正電荷受到拉力，在結(jié)合處形成正負(fù)抵消的區(qū)域，形成阻擋層。此時，如有光照射，則激發(fā)電子自由運動流向N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢。如果外接燈泡（負(fù)荷），就有電流流動。圖2-3太陽能電池工作原理圖2.4.2太陽能電池的分類與特性太陽能電池的制造方法各異，但按材料來分類最為重要，其分類為硅材料和化合物材料。用硅材料制成的太陽能電池最為常見，硅材料又分晶體和非晶體，晶體又包括單晶和多晶和薄膜式多晶。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的第一個入口點是太陽能電池。由一片單晶硅片構(gòu)成的太陽能電池稱為單體；多個太陽能電池單體組成的構(gòu)件稱為太陽能模塊；多個太陽能電池模塊即模塊群構(gòu)成的大型裝置稱為太陽能電池陣列。陣列有公共的輸出端，可直接接向負(fù)荷。太陽能電池的特性：短路電流（）：當(dāng)太陽能電池的兩端是短路狀態(tài)時進行測定的電流。如圖2-4所示，該電流隨光強度按比例增加。開路電壓（)：當(dāng)太陽能電池電路將負(fù)荷斷開測出的兩端電壓。如圖2-5所示，該電壓隨光強度按指數(shù)函數(shù)規(guī)律增加，其特點是低光強度值時，仍保持一定的開路電壓。圖2-4短路電流與與光強度E的關(guān)系圖2-5開路電壓與光強度E的關(guān)系在某一光照強度下，太陽能電池的伏安特性如圖2-6所示，太陽能電池的輸出功率可通過伏安特性進行分析。實際上，太陽能電池的工作電流和電壓是由負(fù)荷電阻值決定的。如圖2-6上的不同負(fù)荷電阻R1、R2、R3與特性曲線的交點確定了不同的工作電流和電壓。電流和電壓的乘積就是功率，如圖2-6所示的矩形面積就表示功率大小，我們在使用太陽能電池時，總是要求輸出功率最大，即要保證圖中矩形面積最大。這樣，我們就事先推算出某光強度E下電壓與輸出功率P的特性，如圖2-7所示。當(dāng)光強度改變時，電壓隨之變化，即可找到該時的最大功率Pmax。在某光強度下，對應(yīng)最大功率Pmax的電流和電壓分別為最佳工作電流Ipmax和最佳工作電壓Upmax。圖2-6太陽能電池伏安特性與負(fù)荷電阻的交點圖2-7在一定光照度E下電壓與輸出功率的特性2.5充放電控制器太陽能充放電控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，它主要實現(xiàn)充放電和最大功率跟蹤的功能。太陽能電池白天受到光照產(chǎn)生電能，給蓄電池充電；黑夜時，蓄電池給負(fù)載供電。若無控制器的智能控制，蓄電池會出現(xiàn)過充和過放的現(xiàn)象，這將大大降低蓄電池的使用壽命。太陽能電池在充電過程中，周圍環(huán)境的不斷變化導(dǎo)致了光強或溫度變化。因此，太陽能電池板的輸出特性也就隨之變化。對其進行最大功率點跟蹤（MPPT）控制，快速、準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點，可以使系統(tǒng)從外界最大限度地吸收能量。太陽能電池最大功率跟蹤控制方法有很多種，比較簡單的控制方法，如功率比較法、擾動觀察法等，已經(jīng)發(fā)展到具有智能化得控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[22]。2.6蓄電池蓄電池是獨立型太陽能照明系統(tǒng)不可缺少的儲能部件。太陽能發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的選擇是從電氣性能、價格、尺寸、重量、壽命、維護方便、安全可靠、充放電性能等諸方面加以綜合評估。2.6.1蓄電池的電氣特性（1）蓄電池的端電壓鉛酸蓄電池的端電壓是隨著充電和放電過程的變化而變化，可表示為充電時：（3-1）放電時： （3-2）式中，U為蓄電池端電壓；為正極板的超電勢；為負(fù)極板的超電壓；I為充、放電流；R為蓄電池內(nèi)阻。（2）蓄電池容量蓄電池的容量就是蓄電池的蓄電能力，通常以充足電后的蓄電池放電至其端電壓到終止電壓時，電池所放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量（Ah）等于放電電流（A）與其持續(xù)時間（h）的乘積，即 QUOTE （3-3）如果放電電流不是常數(shù)，那么蓄電池的輸出容量為不同的放電電流與其持續(xù)時間的乘積之和，即（3-4）式中，t1～tn分別為放電持續(xù)時間；I1～I(xiàn)n分別為時間t1～tn的放電電流。（3）蓄電池的荷電狀態(tài)蓄電池的荷電狀態(tài)用來反映蓄電池的剩余容量。其數(shù)值上定義為蓄電池剩余容量占其總?cè)萘康陌俜直?，?/p>

（3-5）式中，QUOTE為電池在當(dāng)前條件下還能輸出的容量（剩余容量）；QUOTE為電池在當(dāng)前條件下所能放出的最大容量。如果將電池充滿電狀態(tài)為SOC=1，且有：QUOTE （3-6）式中，Q為電池已放出的容量。則式2-6可表示為 （3-7）（4）放電速率放電速率簡稱為放電率，常用時率和倍率表示。時率是以放電時間表示的放電速率，即某電流放電至規(guī)定終止電壓所經(jīng)歷的時間。倍率是電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。一般用符號C及其下標(biāo)表示放電時率。如放電電流為，對于一個的電池，即以0.160=6A的電流放電；則指180A的電流放電。（5）自放電現(xiàn)象當(dāng)電池處于非工作狀態(tài)時，雖沒有電流流過蓄電池，但是電池內(nèi)的活性物質(zhì)與電解液之間自發(fā)的反應(yīng)卻一直在進行，造成電池內(nèi)的化學(xué)能量損耗，使電池的容量下降，這種現(xiàn)象稱為電池的自放電。自放電現(xiàn)象和環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)溫度較高時，自放電現(xiàn)象比較明顯。但自放電一般不會損傷電池本身，只要蓄電池重新充滿，仍可以照常使用。相對鎳鎘電池來說，鉛酸蓄電池自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重。考慮到這一點，在設(shè)計蓄電池充電時，當(dāng)其充滿后，采用涓流對電池進行補充充電。2.6.2蓄電池的壽命及其影響因素（1）過充電程度的影響當(dāng)蓄電池過充時，蓄電池的板極吧、分離柵等不見必須承受由于電解的氧化而造成的損壞，特別在浮充或涓流充電時。過充量是決定蓄電池壽命的一個至關(guān)重要的因素。（2）溫度的影響溫度的升高雖然會使蓄電池的輸出容量增大，但它加速了蓄電池電極的腐蝕，提高了蓄電池的出氣量，使電解液損失。特別在充電期間，酸濃度大，電極的腐蝕造成活性物質(zhì)的脫落，使需電池的壽命降低。在低溫充電時引起氣體析出造成內(nèi)部壓力增大和電解液減少，使蓄電池的壽命降低。2.7本章小結(jié)本章主要介紹的是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽電池及蓄電池部分，太陽電池部分主要介紹了太陽電池的種類、原理、光伏組件的類型、特性。蓄電池部分主要介紹蓄電池的原理、特性、充放電控制策略等問題。3電源硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示，重點在于充放電控制器的設(shè)計，包括圖中的DC/DC、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、穩(wěn)壓電路和STC89C52RC單片機接口電路。圖3-1低壓照明硬件系統(tǒng)框圖3.2控制器硬件的設(shè)計3.2.1控制芯片STC89C52RC簡介STC89C52RC是由STC公司生產(chǎn)的RC系列單片機，它是MCS-51系列中的52子系列的一員，屬于加強型8051單片機。與普通的8051單片機52子系列相比，STC89C52RC具有以下特點：（1）內(nèi)有看門狗，缺省時為關(guān)閉（冷啟動），啟動后無法關(guān)閉，可省去外部看門狗。（2）出廠時就完全加密，無法解密。（3）有DIP-40、PLCC-44、PQFP-44三種封裝，其中后兩種封裝有P4口，P4口的地址為E8H，并附加兩個外部中斷源P4.2/INT3和P4.3/INT2。（4）擴展了256字節(jié)RAM，共512字節(jié)RAM。（5）超低功耗，正常工作模式下電流為4～7mA，空閑模式電流為2mA，掉電模式電流僅有0.5μA。（6）I/O口、電源、時鐘、看門狗、復(fù)位電路都經(jīng)過特殊處理，具有超強抗干擾能力。（7）具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，無需通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)就可以下載燒錄程序。3.2.2單片機的通信接口8051單片機主要依靠串行口與PC機進行通信，串行數(shù)據(jù)傳送格式串行通信時將數(shù)據(jù)一位一位地傳送，它只需要一根數(shù)據(jù)線，硬件成本低，而且可使用現(xiàn)有的通信通道。電子工業(yè)協(xié)會（EIA）公布的RS-232C是用得最多的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。（1）RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換RS-232C以位串行方式傳送數(shù)據(jù)的格式，數(shù)據(jù)從最低有效位開始連續(xù)傳送，以奇偶校驗位的傳送方式。在電氣性能方面，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，邏輯“1”電平在-5V～-15V范圍內(nèi)，邏輯0電平則在+5V～+15V范圍內(nèi)。RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL電平的80C51單片機器件連接，必須進行電平轉(zhuǎn)換。美國MAXIM公司生產(chǎn)地MAX232系列RS-232C收發(fā)器是目前較為普遍的串行口電平轉(zhuǎn)換器件。芯片內(nèi)部包含2個收發(fā)器，采用“電荷泵”技術(shù)，利用4個外接電容C1～C4,一般為0.1μF，就可以再單+5V電源供電的條件下，將輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)化為RS-232C輸出所需要的12V電壓，在實際應(yīng)用中，由于器件對電源噪聲很敏感，因此必須在電源VCC與地之間加一個去耦電容C5。（2）單片機與MAX232的接口單片機有RXD和TXD兩根串行線，分別為接收數(shù)據(jù)線和發(fā)送數(shù)據(jù)線，特別注意接收數(shù)據(jù)線與發(fā)送數(shù)據(jù)線的連接。3.2.3鍵盤驅(qū)動電路在單片機控制系統(tǒng)中，鍵盤輸入是實現(xiàn)人機對話的必不可少的功能配置，它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的傳送功能，鍵盤也是控制單片機系統(tǒng)的最直接的手段，應(yīng)用鍵盤可以大大提高工作效率。（1）鍵盤的分類與消抖鍵盤可分為兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是由硬件電路完成按鍵識別工作的，每按一次鍵，鍵盤會自動產(chǎn)生相應(yīng)的代碼并產(chǎn)生一個選通脈沖通知單片機。這種鍵盤易于實現(xiàn)，但按鍵多時硬件會比較復(fù)雜。非編碼鍵盤提供的按鍵只有兩種狀態(tài)，即開和斷，該種鍵盤只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，按鍵的識別和讀數(shù)等需要靠軟件來完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較復(fù)雜。常用的此類按鍵有：獨立式按鍵和矩陣式按鍵鍵盤。在單片機系統(tǒng)中，鍵盤所采用的按鍵為機械式彈性按鍵，它采用類似金屬接觸式開關(guān)的原理使觸點導(dǎo)通或斷開，提供開合關(guān)兩種狀態(tài)。由于鍵盤按鍵為機械彈性開關(guān)，因而存在機械觸點的彈性作用，這樣一個按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動，開關(guān)閉合時低電平，開關(guān)斷開時為高電平，閉合和斷開瞬間會產(chǎn)生電平信號的抖動。抖動的時間的長短有按鍵的機械特性決定，一般為5～10ms。在抖動過程由于引起電平信號的波動，會使CPU誤解為多次按鍵操作，引起誤處理。因此，為了確保CPU對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。按鍵抖動通常采用硬件和軟件兩種消除方法。軟件消抖對于一般的項目就可以滿足，軟件消抖只需用軟件延時就可以實現(xiàn)，無需另加硬件來消抖，這樣可以減少成本。（2）鍵盤的基本組成形式在不同的控制系統(tǒng)中，鍵盤的組成形式有比較大的差別，主要分為：獨立式鍵盤和矩陣鍵盤。獨立式鍵盤的各個按鍵之間彼此是獨立的，每個按鍵通過一根輸入線與單片機的I/O口相連。獨立式鍵盤電路簡單，軟件設(shè)計業(yè)比較簡單，但由于每一個按鍵均需要一根輸入線，當(dāng)鍵盤按鍵數(shù)量比較多時，需要的I/O口線也較多，因此獨立式鍵盤只適合于按鍵較少的應(yīng)用場合。獨立鍵盤可以工作在多種方式下，主要包括查詢方式和中斷方式。由于本設(shè)計使用的按鍵較少，采用獨立鍵盤方式具有一定的優(yōu)勢，為了不浪費CPU的資源，采用中斷方式驅(qū)動鍵盤。3.2.4溫度傳感器在工業(yè)控制和電子測量中，溫度傳感器是實現(xiàn)溫度測量和控制的關(guān)鍵部件，他起著至關(guān)重要的作用。同樣在本設(shè)計中需要用到溫度傳感器，可以用它實現(xiàn)溫度補償。溫度傳感器是一種被測物體溫度變化這種非電量物理信號按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置，它是利用一些金屬、合金或半導(dǎo)體材料與溫度有關(guān)的特性制成的。設(shè)計采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它只需一個接口引腳即可通信，可用數(shù)據(jù)線供電，并具備多點測溫能力。（1）DS18B20測溫原理DS18B20數(shù)字傳感器采用單線總線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)式美國DALLAS公司的一項專有技術(shù)，它用一根線實現(xiàn)信號的雙向傳輸，具有接口簡單、容易擴展等優(yōu)點，并且可以同時掛接多個從機。DS18B20是DALLAS生產(chǎn)地單線數(shù)字溫度傳感芯片，它可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，供單片機進行處理，具有低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點。（2）DS18B20的特點與結(jié)構(gòu)DS18B20的特點如下：=1\*GB3①采用單總線專用技術(shù)，微處理器僅需一條端口線便可實現(xiàn)與DS18B20的雙向通信。=2\*GB3②可實現(xiàn)簡單的多點分布式溫度檢測。=3\*GB3③不需要外部器件。=4\*GB3④內(nèi)含寄生電源，電壓范圍：3.0V～5.5V。=5\*GB3⑤測溫范圍：-55～125℃.=6\*GB3⑥可編程的溫度轉(zhuǎn)換分辨率，可根據(jù)應(yīng)用需要在9～12bit之間選取。=7\*GB3⑦12位數(shù)字測溫分辨率可達(dá)0.0625℃，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。=8\*GB3⑧用戶可自行設(shè)定非易失性的報警上下限值。=9\*GB3⑨DS18B20采用節(jié)能設(shè)計，在等待狀態(tài)下功耗近似為零。=10\*GB3⑩電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.2.5A/D轉(zhuǎn)換及采樣電路（1）A/D轉(zhuǎn)換器ADC（AnalogDigitalConverter）的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為與其成比例的數(shù)字量。按其工作原理，有比較式ADC、積分式ADC以及電荷平衡（電壓——頻率轉(zhuǎn)換）式ADC等。本設(shè)計使用的ADC為ADC0809，它是一種較為常用的8路模擬量輸入，8位數(shù)字量輸出的逐次比較式ADC芯片。芯片的主要部分是一個8位的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。為了能實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多路模擬開關(guān)及通道地址鎖存和譯碼電路，因此能對多路模擬信號進行分時采集和轉(zhuǎn)換。ADC0809的最大不可調(diào)誤差為1LSB，典型時鐘頻率為640kHz，時鐘信號由外部提供。每個通道的轉(zhuǎn)換時間約為。各引腳的功能如下：IN-0～I(xiàn)N-7:8路模擬量輸入端。2-1～2-8：數(shù)字量輸出端。START：啟動脈沖輸入端。脈沖上升沿復(fù)位0809，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。ALE：地址鎖存信號。高電平有效時把3個地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)地址譯碼得到地址輸出，用以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。轉(zhuǎn)換開始時變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時變高，變高時降轉(zhuǎn)結(jié)果打入三態(tài)輸出鎖存器。如果將EOC和START相連，加上一個啟動脈沖則連續(xù)進行轉(zhuǎn)換。ENABLE：輸出允許信號輸入端。CLOCK：時鐘輸入信號，最高允許值為640kHz。ref(+):正基準(zhǔn)電壓輸入端。ref(-):負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端，通常將ref(+)接+5V，ref(-)接地。VCC：電源電壓，可從+5～+15V。GND：電源地。ADD-A～ADD-C: 通道選擇端。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍為0～5V，若信號過小還需要放大。另外，模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化太快，因此對變化速度快的模擬量，在輸入前增加采樣保持電路。（2）采樣電路控制器設(shè)計中，充電時需要對光伏電池、蓄電池進行電壓和電流采樣，放電時需要對蓄電池、負(fù)載進行電壓采樣。該采樣設(shè)計可以對最高為17V的電壓進行采樣，可以滿足12V充電系統(tǒng)的需要。其中每模擬通道都有兩個二極管，起過載保護作用，當(dāng)輸入電壓高于Uref+0.7V左右時，D10和D12導(dǎo)通，輸入電壓被鉗位在Uref左右的水平上；當(dāng)輸入電壓低于-0.7V時，D11和D13導(dǎo)通，輸入電壓被鉗位在-0.7V的水平上。這種過載往往是尖峰干擾，持續(xù)時間很短。3.2.6光源跟蹤光源跟蹤可以提高太陽能發(fā)電效率的20%左右，所以光源跟蹤的設(shè)計也是很有必要的。光源跟蹤電路設(shè)計比較簡單，可以使用光敏電阻感測太陽光的強度。（1）光敏電阻的工作原理有些半導(dǎo)體在黑暗的環(huán)境下它的電阻是很高的，但當(dāng)它受到光線照射時，若光子能量hγ大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,同禁帶中的電子吸收一個光子后就足以躍遷到到導(dǎo)帶，激發(fā)出點子—空穴對，從而加強了導(dǎo)電性能，使阻值降低，且照射的光線愈強阻值也愈低。光照停止，自由電子與空穴逐漸復(fù)合，電阻又恢復(fù)原值?；谶@種原理制成的有光導(dǎo)管，也叫光敏電阻。光敏電阻的種類繁多，一般有金屬的硫化物、硒化物、錫化物等組成。由于所用材料、工藝過程的不同，它們的光電性能相差很大。（2）光源跟蹤的實現(xiàn)光敏電阻驅(qū)動連接如圖3-2所示，圖3-2光敏電阻驅(qū)動連接圖當(dāng)太陽光直射電池板時，要保證兩個光敏晶體管的分壓是相同的。要使太陽能電池板跟蹤光源，就必須給使光敏電阻產(chǎn)生遮光，使兩個光敏電阻的分壓不同，然后將其電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機處理信號，同時驅(qū)動步進電機或者是普通電機旋轉(zhuǎn)直到光敏電阻的分壓相同。整個過程就可以實現(xiàn)光源跟蹤的效果。3.2.7蓄電池充放電電路給蓄電池充電有恒流充電、恒壓充電、浮充方式，采用PWM技術(shù)可實現(xiàn)最大功率充電，在整個系統(tǒng)中，充放電電路的設(shè)計最為復(fù)雜。（1）開關(guān)管的選擇目前中大功率DC/DC變換器功率開關(guān)管一般選擇MOSFET管和IGBT模塊；對于大功率變換，由于MOSFET管功率及電壓等級的限制，一般利用IGBT模塊作為開關(guān)器件；中小功率場合，MOSFET管仍然居主導(dǎo)地位。本設(shè)計選用MOSFET。正確選擇MOSFET管的電壓、電流額定值是保證器件安全可靠工作地先決條件。通常，MOSFET管的額定值和實際值之間應(yīng)留有一定的余量，使器件安全可靠地運行。本系統(tǒng)中，輸入電壓在12～17V之間，MOSFET管額定電壓應(yīng)該在2.1×17=35.7V以上，所以選擇IRF3205作為開關(guān)管。（2）充電電路的設(shè)計IRF3205是一種N溝道MOSFET，且S極到D極具有二極管特性，有關(guān)詳細(xì)的IRF3205的參數(shù)可以查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊。充電系統(tǒng)要考慮到太陽能電池電壓的大小和蓄電池的大小。若前者高于后者，則讓IRF3205導(dǎo)通，這就是充電的條件。若后者高于前者，則需將MOSFET關(guān)斷，否則蓄電池給太陽能電池“充電”，這是我們不想看到的結(jié)果。要判斷MOSFET管是要導(dǎo)通還是關(guān)斷，就必須比較太陽能電池的電壓和蓄電池的電壓，這項工作由采樣電路來完成。需要注意的是，IRF3205的S極到D極具有二極管特性，所以用一個管是不能滿足太陽能電池與蓄電池的電氣連接導(dǎo)通和關(guān)斷的需要。3.2.8電源模塊電源的設(shè)計也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電源的質(zhì)量關(guān)系到CPU可靠地運行，對本系統(tǒng)需要給單片機和外圍芯片提供5V直流電源[14]。（1）穩(wěn)壓器7805三端集成線性穩(wěn)壓器7805的5V電源原理如圖3-3所示。圖3-3三端集成線性穩(wěn)壓器7805的5V電源原理圖本系統(tǒng)式是以12V電源經(jīng)7805后為后續(xù)電路供電的，電路實現(xiàn)比較簡單。其原理為：開關(guān)S1閉合，電路經(jīng)過濾波電容C1和C2兩次濾波后，再經(jīng)過7805的穩(wěn)壓之后，7805的輸出管腳穩(wěn)定的線性5V電源，電容C3和C4的設(shè)置也是起到濾波的作用，R1作為限流電阻，D1是LED作顯示電路部分，其指示作用。從VCC處可以引出穩(wěn)定的5V電壓，但是其提前是7805的輸入管腳的電壓要在5V以上，即只要當(dāng)7805的輸入管腳的電壓大于輸出管腳的電壓時，它才能起到穩(wěn)壓的作用。（2）電源模塊抗干擾措施單片機電源模塊的抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。一個設(shè)計良好的電源模塊，應(yīng)在設(shè)計過程中充分考慮到抗干擾性能的要求。因為一個系統(tǒng)的正確與否，不僅取決于系統(tǒng)的設(shè)計思想和方法，同時還取決于系統(tǒng)的抗干擾措施，尤其是電源模塊的抗干擾措施，否則勢必會出現(xiàn)原理正確而系統(tǒng)穩(wěn)定性差，甚至不能使用的問題。采用的措施如下：=1\*GB3①采用避雷措施，避免雷電引起瞬變電磁場產(chǎn)生強烈的干擾和損壞；=2\*GB3②采取瞬間電壓抑制措施；=3\*GB3③使用浪涌抑制器。（3）消除電源干擾措施電源也是一種干擾源，將電源產(chǎn)生的干擾消除，盡量小地影響單片機，可以采用以下措施：=1\*GB3①采用濾波電路，在電源模塊的直流輸出端，采用電容濾波電路，濾波電源產(chǎn)生的諧波；=2\*GB3②注意晶振布線，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定，從而使電源模塊中的干擾盡量少影響到晶振；=3\*GB3③電路板合理分區(qū)，盡可能使電源與敏感器件遠(yuǎn)離；=4\*GB3④電源地線與數(shù)字信號地線與數(shù)字信號地線要相互隔離，防止地線之間的耦合。3.2.9控制器的保護電路（1）短路保護線路短路會導(dǎo)致電流過大，容易燒壞系統(tǒng)中電子線路，所以在控制器的保護電路要考慮到短路保護的設(shè)計。在選擇過流保護裝置時同樣要考慮余量，一般取額定電流的1.5倍，本系統(tǒng)的額定電流為10A。（2）反接保護及報警電路有時由于人為地操作不當(dāng)，發(fā)生蓄電池或太陽能電池反接的情況，若不對其進行反接保護，則會燒壞某些電子元件，比如極性電容，甚至使整個系統(tǒng)發(fā)生崩潰。反接保護的設(shè)計其實很簡單，只需在12V電源端嵌入一個二極管。二極管具有單向?qū)ㄐ?，電源一接反，二極管截止，這樣起到了反接保護的作用。二極管只能起到反接保護作用，但整個系統(tǒng)還是不能正常工作，所以還需要有反接報警電路“告知”人們接線錯誤。（3）防雷保護低壓照明系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在路燈照明，所以需要加上防雷保護，以免遭受雷擊時控制器的電子線路被燒壞。比較常用的措施是在控制器中加入一個壓敏電阻。壓敏電阻的最大特點是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閥值“UN”時，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過“UN”時，流過它的電流劇增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護電路免受過電壓的損害。3.3本章小結(jié)本章主要是對電源硬件的系統(tǒng)設(shè)計，并對光伏系統(tǒng)中控制器功能的研究。主要內(nèi)容有系統(tǒng)的總體設(shè)計、控制器工作原理、充放電控制、對太陽方位和高度的跟蹤、對太陽電池最大功率點的跟蹤等。4軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)（1）充電設(shè)計流程圖本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)完成的功能的不同，將整程序分為以下幾個功能模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊、最大功率跟蹤模塊、恒流充電模塊、恒壓充電模塊、浮充模塊和維護充電模塊。根據(jù)采樣所得的太陽能電池陣列的電壓來設(shè)定充電方式，軟件流程圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件流程圖（2）充電控制程序設(shè)計蓄電池充電控制采用階段式充電控制方式，當(dāng)蓄電池端電壓Ub＞13.6V時無需考慮MPPT跟蹤，采用常規(guī)的充電方式對蓄電池進行充電。這一過程：首先對蓄電池進行恒流充電，到充電后期即當(dāng)Ub＞13.6V時，進行恒壓充電，等到充電將滿時即Ub＞14V時進行浮充，當(dāng)蓄電池達(dá)到14.4V時充電結(jié)束。4.2C51語言編程4.2.1C51語言與匯編語言的比較在國內(nèi)，匯編語言在單片機開發(fā)過程中是比較流行的開發(fā)工具。長期以來對編譯效率的偏見，以及不少程序員對使用匯編語言開發(fā)硬件環(huán)境的習(xí)慣性，使C語言在很多地方遭到冷落。優(yōu)秀的程序員寫出的匯編語言程序的確有執(zhí)行效率高的有點，但匯編語言其可移植性和可讀性差的特點，使其開發(fā)出來的產(chǎn)品在維護和功能升級時的確有極大地困難，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性和可維護性差。而使用C語言進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，有著匯編語言不可比擬的優(yōu)勢。應(yīng)用C51語言編寫程序具有以下特點:（1）不要求了解處理器的指令集，也不必了解存儲器的結(jié)構(gòu)。（2）寄存器分配和尋址方式由編譯器管理，編程時不必考慮存儲器的尋址等。（3）可使用與人的思維更接近的關(guān)鍵字和操作函數(shù)。（4）可使用C51語言中庫文件的許多標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。（5）通過C語言的模塊化編程技術(shù)，可以將已編好的程序加入新的程序中，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。（6）編程調(diào)試靈活方便，當(dāng)前所有的嵌入式系統(tǒng)都有相應(yīng)的C語言級別的仿真調(diào)試系統(tǒng)，調(diào)試十分方便。（7）生成的代碼效率高，當(dāng)前較好的C編譯器編譯出來的代碼效率只比匯編語言低20%，如果使用優(yōu)化編譯選項甚至可以降低。（8）可移植性好，在C51下編寫的程序通過改寫頭文件及少量的程序行，就可以方便的移植到196或PIC系列上，也就是說，基于C語言環(huán)境下的嵌入式系統(tǒng)能基本達(dá)到平臺的無關(guān)性。4.2.2C51語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言的比較標(biāo)準(zhǔn)C語言，或稱為ANSIC語言。單片機的C語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言之間有許多相同的地方，但也有其自身的一些特點。不同的嵌入式C語言編譯系統(tǒng)之所以與ANSIC語言有不同的地方，主要是由于他們所針對的硬件系統(tǒng)不同，對于MCS-51系列單片機，我們稱為C51語言。其不同點主要體現(xiàn)在以下幾方面。（1）C51語言中定義的庫函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)C語言定義的庫函數(shù)不同。標(biāo)準(zhǔn)C語言定義的庫函數(shù)是按照通用微型計算機來定義的，而C51語言總的庫函數(shù)是按MCS-51單片機的應(yīng)用情況來定義的。（2）C51變量的存儲模式與標(biāo)準(zhǔn)C語言的數(shù)據(jù)類型也有一定得區(qū)別。在C51語言中增加了幾種針對MCS-51單片機特有的數(shù)據(jù)類型。例如，MCS-51系列器件包含位操作和豐富的偽操作指令，因此C51語言與ANSIC語言相比要多一種位類型，使得它能同匯編語言一樣，靈活地進行位指令操作，大大提高了編寫程序的效率。（3）C51變量的存儲模式與標(biāo)準(zhǔn)C語言中變量的存儲模式不一樣。C51語言中的變量的存儲模式與MCS-51單片機的存儲器緊密相關(guān)。從數(shù)據(jù)存儲類型上，8051系列有片內(nèi)、片外程序存儲器，片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器。在片內(nèi)程序存儲器還分為直接尋址區(qū)和間接尋址區(qū)，分別對應(yīng)code、data、xdata、idata，以及根據(jù)51系列特點而設(shè)定的pdata類型，使用不同存儲器將會影響程序執(zhí)行的效率，不同的模式對應(yīng)不同的硬件系統(tǒng)和不同的編譯結(jié)果。（4）C51語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言的輸入/輸出處理不一樣。C51語言中的輸入/輸出時通過MCS-51串行口來完成的，輸入/輸出指令執(zhí)行前必須對串口進行初始化。（5）C51語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言在函數(shù)使用方面有一定的區(qū)別，例如C51語言中有專門的中斷函數(shù)。4.2.3KeilC51數(shù)據(jù)存儲類型（1）C51數(shù)據(jù)存儲類型分類C51最具有特色的地方就在其數(shù)據(jù)存儲類型的使用，眾所周知，8051單片機存儲區(qū)可分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)、外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)及程序存儲區(qū)。8051單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)是可讀寫的，8051派生系列最多可以有256字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，其中低128字節(jié)可直接尋址，高128字節(jié)（0x80到0xFF）只能間接尋址，從20H開始的16字節(jié)可位尋址，內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)可分為3個不同的存儲類型：data、idata和bdata。外部數(shù)據(jù)區(qū)也是可讀寫的，訪問外部數(shù)據(jù)區(qū)比訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)慢，因為外部數(shù)據(jù)區(qū)是通過數(shù)據(jù)指針加載地址來間接訪問的。C51語言提供兩種不同的存儲類型xdata和pdata訪問外部數(shù)據(jù)。程序存儲區(qū)只能讀不能寫，可能在8051單片機內(nèi)部或者外部，或者外部和內(nèi)外都有，由8051單片機的硬件決定。C51語言提供了code存儲類型來訪問程序存儲區(qū)。每個變量可以明確地分配到指定的存儲空間，對內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的訪問比對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問要快的多，因此應(yīng)當(dāng)將頻繁使用的變量放在內(nèi)部存儲器中，而把較少使用的變量放在外部存儲器中。（2）DATA區(qū)DATA區(qū)尋址是最快的，所以應(yīng)該把經(jīng)常使用的變量放在DATA區(qū)，但是DATA區(qū)的空間是有限的，DATA區(qū)除了包含程序變量外，還包含了堆棧和寄存器組。DATA區(qū)聲明中的存儲標(biāo)識符為data，通常指片內(nèi)RAM的低128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲的變量，可直接尋址。標(biāo)準(zhǔn)變量和用戶聲明變量都可以存儲在DATA區(qū)中，只要不超過DATA區(qū)的范圍即可，因為C51語言使用默認(rèn)的寄存器組來傳遞參數(shù)，這樣DATA區(qū)至少失去了8字節(jié)的空間。（3）BDATA區(qū)BDATA實際是DATA中的位尋址區(qū)，在這個區(qū)中聲明變量就可以進行位尋址。位變量的聲明對狀態(tài)寄存器來說是十分有用的，因為它可能僅僅需要某一位，而不是整個字節(jié)。BDATA區(qū)聲明中的存儲類型標(biāo)識符為bdata，指內(nèi)部可位尋址的16字節(jié)存儲區(qū)（20H到2FH），數(shù)據(jù)類型是可位尋址變量的數(shù)據(jù)類型。（4）IDATA區(qū)IDATA區(qū)也可以存放使用比較頻繁的變量，使用寄存器作為指針進行尋址，即在寄存器中設(shè)置8位地址進行間接尋址。與外部存儲器尋址相比，它的指令執(zhí)行周期和代碼長度都比較短。IDATA區(qū)聲明中的存儲類型標(biāo)識符為idata，指內(nèi)部的256字節(jié)的存儲區(qū)，但是只能間接尋址，速度比直接尋址慢。4.3本章小結(jié)本章主要是對系統(tǒng)的總體軟件進行介紹。本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)完成的功能的不同，將整程序分為六個功能模塊。而蓄電池充電控制則采用階段式充電控制方式。所使用的編程工具是C51語言，并將它與C語言進行比較。5光源跟蹤器5.1光源跟蹤器的硬件設(shè)計5.1.1CPU選型本系統(tǒng)仍然選用MCS-51單片機，型號為STC89C52RC。5.1.2A/D轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)采用的是ADC0804，為8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。其連接圖如圖5-1所示。圖5-1ADC0804連接圖其中管腳1連接單片機I/O，管腳6連接采樣電路，其他管腳的連接如圖6-2所示。5.1.3電源電路眾所周知，USB所提供的電壓為5V左右，方便連接，所以系統(tǒng)采用的是USB供電，其連接圖如圖5-2所示。圖5-2USB供電連接圖5.1.4LED顯示電路LED連接簡單，所以系統(tǒng)采用帶有小數(shù)點的7段共陰極數(shù)碼管。其管腳排列圖如圖5-3所示。圖5-37段共陰極數(shù)碼管管腳排列圖其中A為共陰極端，其他管腳與單片機的P0口連接。P0口的驅(qū)動電流不足以使LED發(fā)光，所以一般在P0口加入一個1K的排阻以提高驅(qū)動電流。5.1.5直流電機驅(qū)動電路本系統(tǒng)采用H橋來驅(qū)動直流電機，其原理圖連接如圖5-4所示。圖5-4H橋電機驅(qū)動電路控制電機轉(zhuǎn)動的方法是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，在軟件設(shè)計時應(yīng)采用PWM技術(shù)來控制電機的轉(zhuǎn)速。電機應(yīng)按照PV光伏板的重量來選定，若電機的電流較大時可以選用繼電器代替三極管重新配置H橋。5.2光源跟蹤器的軟件設(shè)計5.2.1軟件設(shè)計流程圖光源跟蹤器軟件流程圖如圖5-5所示。A/D驅(qū)動程序見附錄。圖5-5光源跟蹤器的軟件流程圖5.3本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了最大功率跟蹤技術(shù)的設(shè)計原理及原理圖，并對幾種傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法進行了分析。對光源跟蹤器的硬件設(shè)計中的原件進行了逐一介紹，如：CPU的選型、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示電路、直流電機驅(qū)動電路等。6結(jié)論與展望6.1結(jié)論在我國能源供需平衡中，可再生能源已經(jīng)具有重要地位。而太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。當(dāng)然，要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到民用水平，主要有兩個問題需要解決，一是提高太陽能光電變換效率，降低成本，二是實現(xiàn)太陽能發(fā)電與電網(wǎng)的連接，大功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以及光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合的屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)都必將成為光伏應(yīng)用最重要的領(lǐng)域，有著十分廣闊的前景。低壓照明系統(tǒng)電源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在路燈系統(tǒng)，它是個獨立系統(tǒng)，無需外加電源，也無需并網(wǎng)，體現(xiàn)出了系統(tǒng)的優(yōu)點?？墒枪夥l(fā)電實時受到環(huán)境的影響，如溫度、光照強度等，同時還受到MPPT算法的約束。為解決某些存在的問題，本論文著重強調(diào)理論結(jié)合實際，在硬件設(shè)計方面花費了大量的精力和時間，希望能對學(xué)者帶來感性的認(rèn)識。6.2展望在各國的政策扶持下，光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展并且開始向一些發(fā)展中國家擴展，這對于能源和環(huán)境來說都是利好消息。在目前全球經(jīng)濟危機影響下，短期內(nèi)光伏發(fā)電市場并不穩(wěn)定，但是未來迅猛發(fā)展的趨勢是不會改變的。EPIA

采用情景分析的方法，就政策驅(qū)動情景和正常發(fā)展情景對未來5年全球的光伏市場、太陽能電池供給與需求、多晶硅技術(shù)與薄膜生產(chǎn)能力等進行了預(yù)測。國際能源組織(IEA)對太陽能光伏發(fā)電的未來發(fā)展長期預(yù)測認(rèn)為：2020年世界光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的1%，2040年占總發(fā)電量的20%。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(EPIA)對光伏發(fā)電的預(yù)測為：2020年世界太陽能光伏組件年產(chǎn)量將達(dá)到40GW，總裝機容量為195GW

，發(fā)電量為274TWh，占全球發(fā)電量的1%

；2040年光伏發(fā)電量達(dá)7368TWh，占全球發(fā)電量的21%。

我國太陽能資源豐富，理論儲量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常大。從長遠(yuǎn)看，光伏發(fā)電在未來將會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且最終會成為世界能源供應(yīng)的主體。在我國發(fā)展大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，是改變和優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應(yīng)的理想模式。最具發(fā)展前景的光伏發(fā)電應(yīng)用市場是大規(guī)模的荒漠電站。我國108萬平方公里的荒漠面積為建設(shè)大型的太陽能電站提供了廣闊的土地資源，其年總輻射在1600KWh/W以上，如果利用其1／10安裝并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年的發(fā)電量可以達(dá)到10萬多億千瓦時．相當(dāng)于全國用電量的6倍。從資源的合理開發(fā)利用來說，開發(fā)沙漠太陽能資源具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以使廣大的沙漠、戈壁灘變廢為寶．對實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。沙漠所處的地理位置恰好是太陽能資源豐富區(qū)，盡管不同的地區(qū)均可獲取太陽能，但在沙漠地區(qū)建設(shè)太陽能電站，不僅具備較好的太陽能光照資源，而且不占用寶貴的耕地。在建造太陽能電站的同時也對沙漠的環(huán)境進行了改造，可以說一舉兩得。中國無論太陽能資源還是沙漠資源，都具有足夠的優(yōu)勢，足以支持太陽能電站的建設(shè)，緩解未來的能源危機。同時對改善沙漠生態(tài)環(huán)境、促進沙漠植被恢復(fù)也有積極作用。智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，將有效地促進分布式可再生能源發(fā)電的發(fā)展，為太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)帶來美好前景。參考文獻(xiàn)[1]馮垛生,宋金蓮,趙慧.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,2008.[2]趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用.科學(xué)出版社2006.[3]湯延令.太陽能熱發(fā)電技術(shù)及發(fā)展.福建電力與電工.第28卷第4期.[4]黃漢云.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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