【正文】 基于 AT89S51 單片機(jī)控制的太陽能 供電地下場照明系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 在這個科技飛速發(fā)展的時代， 能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動的動力來源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和社會生活水平的提高，未來世界能源消費量將持續(xù)增長，世界上的化石能源消費總量總有一天將達(dá)到極限。開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是人類必須采取的措施。從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想的綠色能源。 隨著城市的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，人均擁有車輛數(shù)的增大，停車問題越發(fā)嚴(yán)峻。停車場也逐漸的朝地下空間發(fā)展。然而 地下停車場的照明又給社會增添了新的煩惱。為此，提供一個合理的地下照明系統(tǒng)是時代發(fā)展的迫切要求。 本設(shè)計采用 LED 燈具作為系統(tǒng)的照明光源，采用太陽能光伏發(fā)電與市電交互為 LED 燈具供電的方式提供供電電源。使用節(jié)能燈具減少了能源的浪費，利用太陽能發(fā)電供電，減少了火力發(fā)電等造成的大氣污染的問題。 本設(shè)計采用單片機(jī) AT89S51 作為系統(tǒng)的主控制單元，重點設(shè)計了太陽能發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制電路的設(shè)計。并且通過采集太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池及太陽能電池板兩端的電壓，實現(xiàn)火電與太陽能發(fā)電兩種供電方式的自動切換。并對 太陽能發(fā)電 系統(tǒng)中 ， 太陽能電池在工作時，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，輸出功率不同的問題，為了提高發(fā)電系統(tǒng)效率，單片機(jī)通過采樣電壓和電流，通過對功率的計算，實現(xiàn) 對太陽能電池的最大功率點的跟蹤，確保充分的利用太陽能。 本系統(tǒng)智能化的完成了以太陽能發(fā)電、 LED 為燈具的照明系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)濟(jì)、實用。 關(guān)鍵字： 能源 太陽能光伏發(fā)電 LED 照明 單片機(jī) AT89S51 目 錄 第一章 緒論 ............................................................... 1 光伏發(fā)電的背景及意義 ............................................... 1 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 ......................................... 1 國外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 ................................. 2 我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 ............................... 2 第二章 MPPT 控制部分與 DC/DC 變換 .......................................... 4 最大功率點跟蹤原理 ................................................. 4 最大功率點跟蹤的算法 ............................................... 5 恒壓跟蹤法 ................................................... 5 擾動觀察法 ................................................... 6 電導(dǎo)增量法 ................................................... 6 DC/DC 變換器 ....................................................... 7 降壓式變換器 ................................................. 8 升壓式變換器 ................................................. 8 升降壓式變換器 ............................................... 9 庫克式變換器 ................................................ 10 第三章 主要設(shè)備的選擇 .................................................... 12 太陽能電池的設(shè)計 .................................................. 12 太陽能電池原理 .............................................. 12 太陽能電池分類 .............................................. 12 太陽能電池的容量的計算 ....................................... 1 蓄電池的選擇 ....................................................... 3 蓄電池的選用 ................................................. 4 蓄電池組容量的計算 ........................................... 4 燈具的選擇 ......................................................... 5 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ....................................................... 1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖 ................................................... 1 控制模塊的電路設(shè)計 ................................................. 1 電源電路的設(shè)計 ............................................... 1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計 ................................. 1 DCDC 控制電路設(shè)計 (充電電路 ) ................................. 1 驅(qū)動電路的設(shè)計 ............................................... 2 切換電路設(shè)計 ................................................. 3 采樣電路設(shè)計 ................................................. 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ................................................. 4 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計 ........................................... 5 5結(jié)論 .................................................................... 6 參考文獻(xiàn) ................................................................. 10 第一章 緒論 光伏發(fā)電的背景及意義 全球煤炭、石油、天然氣等能源的消耗不斷增加，引發(fā)了一系列的環(huán)境污染和資源短缺等問題。在這個世紀(jì)以前，我們能夠使用能源都局限在一次能源上，如煤、 CH4 和石油。這些一次能源都是經(jīng)過很長時間，太陽能通過各種轉(zhuǎn)換，被地球上各個角落的生物儲存起來。但是人類已經(jīng)在這個星球上生活在了數(shù)千年，在這數(shù)千年里，這些能源無時無刻不在被人類消耗著，而且留給我 們及后代所要使用能源已經(jīng)不多了。隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、不斷增加的人口數(shù)以及人們生活質(zhì)量的不斷改善，將來全球能源消耗數(shù)目將繼續(xù)增長，地球上可用的化石能源必將會被消耗殆盡。 當(dāng)前，森林被大面積砍伐，礦物能源被大量使用，全球日均產(chǎn)生近 1 109TCO2，造成大氣二氧化碳的含量上升，大氣已經(jīng)被嚴(yán)重的污染。若不采取措施，溫室效應(yīng)也將加劇，全球逐漸變暖，南極和北極的冰山必將被融化，后果就是可能造成海平面上漲， 1/4的人類社會環(huán)境便會由此承受巨大危險。 面對以上情況，如何讓可持續(xù)發(fā)展 成為現(xiàn)實，探索開發(fā)能夠再利用的能源以及其他綠色新能源便成為了人類亟待解決的問題。從能源提供的多方面因素著眼，太陽能毫無疑義的成為理想的綠色新能源。太陽能即將成為新世紀(jì)極為重要的能源之一，已經(jīng)得到世界能源專家們肯定。 通過和常規(guī)發(fā)電技術(shù)比較，太陽能發(fā)電具有①可無限使用；②不會造成危害、穩(wěn)定性好，沒有噪聲，沒有向環(huán)境排放污染，無公害；③可以安裝在各個角落，而且可以安裝在不影響人類生活的地方優(yōu)勢；④不用使用燃料以及譜架線路便可以立刻發(fā)電供電；⑤能源質(zhì)量高；⑥消費者從情感上易采納；⑦很短的建設(shè)時間，能源利用獲取時間 短等優(yōu)勢。而且，硅作為光伏電池的主要原料存儲量極為豐富，并且伴著太陽電池研究技術(shù)的不斷發(fā)展以及轉(zhuǎn)換效率的持續(xù)改善和與它關(guān)聯(lián)系統(tǒng)科技技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)業(yè)成本費用己經(jīng)呈現(xiàn)急劇走低的勢頭。據(jù)此預(yù)見，太陽能發(fā)電在全球的未來發(fā)展中勢必會占據(jù)主導(dǎo)地位。 所以，利用光伏發(fā)電是兼開發(fā)利用可再生新能源、生態(tài)環(huán)境不斷改善、人民生活條件不斷提高綜合性的面向新世紀(jì)人類進(jìn)步的重要課題；也是兼電學(xué)技術(shù)支持多方面學(xué)科以及自動控制理論等先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合性研究課題。 光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 太陽能向其他形式的能轉(zhuǎn)換的方式多種多 樣： 太 陽 能 轉(zhuǎn) 換 方 式光 電 轉(zhuǎn) 換光 熱 轉(zhuǎn) 換光 化 學(xué) 轉(zhuǎn) 換 國外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 目前，全球各國尤其是發(fā)達(dá)國家把光伏發(fā)電技術(shù)放在尤為重要的地位，著重制定了規(guī)劃，擴(kuò)大投入、全力貫徹發(fā)展。 1980 年后，即便處于全球經(jīng)濟(jì)衰退和低潮的時候，光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也始終保持著以百分之十到百分之十五的逐步增加發(fā)展速度。 90年代末期，光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加迅速，并成為世界增長速度最快的新型該科技產(chǎn)業(yè)之一。 1997 年全球光伏電池組件的生產(chǎn)總量達(dá)到了 2 108W，比 1996 年提高了百分之三十五。各國始終 在采取改進(jìn)工藝、不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、開拓新市場等方式來減少制造成本。 近幾年，全球光伏電池的生產(chǎn)量以平均每年近百分之四十的速度增長， 2021 年全世界總產(chǎn)量便達(dá)到了 1 109W。 鑒于太陽能光伏發(fā)電有很多優(yōu)勢，其研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)和市場開拓已經(jīng)成為目前全球各國，尤其是世界發(fā)達(dá)國家競爭的主要熱點。 21 世紀(jì)以來，一部分發(fā)達(dá)國家相繼制定了發(fā)展涉及太陽能電池的能夠反復(fù)使用的能 源方案。光伏電池的研制首先在歐洲、美洲和亞洲以大規(guī)模的形式展開。美國和日本為奪取世界光伏發(fā)電市場的首要地位，紛紛制定實施了太陽能技術(shù)的研發(fā) 計劃，比如，到 2021 年，美國計劃將會總安裝 109 W (其中包括了百萬屋頂計劃 )；日本計劃將會總安裝 5 109 瓦 (日本新陽光計劃 )、德國計劃累計安裝 ，歐盟計劃累計安裝3GW，澳大利亞計劃累計安裝 ，中國、印度等發(fā)展中國家計劃安裝 ~2GW[1]。 據(jù)預(yù)測，到 2020 年光伏發(fā)電在全球電力產(chǎn)業(yè)中的所占比例將達(dá)到 ， 2050 年約占 1/4。由此可以斷言，光伏發(fā)電具有廣闊的市場和很好的發(fā)展前景。 我國太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 我國從 1958 年才開始研究太陽能電池， 1972 年第一次成功地在地面應(yīng)用了光伏電池， 1979 年開始制造以單晶硅為材料的太陽能電池。我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實現(xiàn)了兩次跳躍，首次是在 20 世紀(jì) 80年代后期，我國正處于改革開放蓬勃發(fā)展時期，國內(nèi)相繼引入了多條光伏電池生產(chǎn)線，我國的光伏電池生產(chǎn)能力由起初的 3個小工廠生產(chǎn)的幾百 KW 提高到 6 個工廠生產(chǎn)的 106W，中央政府、地方政府、國家工業(yè)部委和國家大型企業(yè)在引進(jìn)的太陽電池生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)線的投資中占了主導(dǎo)地位。第二次跳躍是在 2021 年以后，主要是受到世界大環(huán)境的影響、涉外項目 /市政項目的啟動和市場的帶動；如： 2021 年由我國法改委承擔(dān)實施的“光明工程”的輸電到鄉(xiāng)和隨后的送電到農(nóng)村工程都采用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。 2021 年以前，我國還存在約三萬個村莊，七百萬多戶，三千萬村民還不能用上電， 百分之六十的使用電能的縣還存在嚴(yán)重缺電的問題，由此可見，國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電市場潛力巨大。 2021 年國內(nèi)光伏電池制造能力跨過了 3 108W 大關(guān)。預(yù)計在 2021 后的十幾年中，太陽能光伏電池的市場會產(chǎn)生巨大的變革， 2021 年前中國太陽電池基本上是應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。預(yù)計，后十年（即到 2020 年），中國光伏發(fā)電市場主流將會轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 第二章 MPPT 控制部分與 DC/DC 變換 光伏陣列輸出是非線性的，而且它的輸出在不同的光照強(qiáng)度下、環(huán)境溫度下和負(fù)載情況變化時變化。根據(jù)太陽電池的工作原理，處于不同光照強(qiáng)度，溫度等環(huán)境條件下，光伏電池的輸出便隨著改變，輸出功率包括最大功率點也隨著相應(yīng)改變。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，太陽光的輻射強(qiáng)度和大氣的透光率都是動態(tài)變化的，這就給建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)帶來了困難。在環(huán)境溫度以及太陽光輻射強(qiáng)度不變的情況下，光伏電池的工作電壓是變化的，然而只有輸出電壓是一個恰當(dāng)?shù)闹禃r，光伏電池才可以輸出最大功率， 這時太陽能光伏電池的工作點即是最大功率點 (Maximum Power Poi