【正文】 基于 AT89S51 單片機(jī)控制的太陽(yáng)能 供電地下場(chǎng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代， 能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和社會(huì)生活水平的提高，未來(lái)世界能源消費(fèi)量將持續(xù)增長(zhǎng)，世界上的化石能源消費(fèi)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(shí)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(yáng)能無(wú)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(wèn)題越發(fā)嚴(yán)峻。停車場(chǎng)也逐漸的朝地下空間發(fā)展。然而 地下停車場(chǎng)的照明又給社會(huì)增添了新的煩惱。為此，提供一個(gè)合理的地下照明系統(tǒng)是時(shí)代發(fā)展的迫切要求。 本設(shè)計(jì)采用 LED 燈具作為系統(tǒng)的照明光源，采用太陽(yáng)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(fèi)，利用太陽(yáng)能發(fā)電供電，減少了火力發(fā)電等造成的大氣污染的問(wèn)題。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89S51 作為系統(tǒng)的主控制單元，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制電路的設(shè)計(jì)。并且通過(guò)采集太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池及太陽(yáng)能電池板兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)火電與太陽(yáng)能發(fā)電兩種供電方式的自動(dòng)切換。并對(duì) 太陽(yáng)能發(fā)電 系統(tǒng)中 ， 太陽(yáng)能電池在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，輸出功率不同的問(wèn)題，為了提高發(fā)電系統(tǒng)效率，單片機(jī)通過(guò)采樣電壓和電流，通過(guò)對(duì)功率的計(jì)算，實(shí)現(xiàn) 對(duì)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤，確保充分的利用太陽(yáng)能。 本系統(tǒng)智能化的完成了以太陽(yáng)能發(fā)電、 LED 為燈具的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。 關(guān)鍵字： 能源 太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 ......................................... 1 國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 ................................. 2 我國(guó)太陽(yáng)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(diǎn)跟蹤原理 ................................................. 4 最大功率點(diǎn)跟蹤的算法 ............................................... 5 恒壓跟蹤法 ................................................... 5 擾動(dòng)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(kù)克式變換器 ................................................ 10 第三章 主要設(shè)備的選擇 .................................................... 12 太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì) .................................................. 12 太陽(yáng)能電池原理 .............................................. 12 太陽(yáng)能電池分類 .............................................. 12 太陽(yáng)能電池的容量的計(jì)算 ....................................... 1 蓄電池的選擇 ....................................................... 3 蓄電池的選用 ................................................. 4 蓄電池組容量的計(jì)算 ........................................... 4 燈具的選擇 ......................................................... 5 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ....................................................... 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖 ................................................... 1 控制模塊的電路設(shè)計(jì) ................................................. 1 電源電路的設(shè)計(jì) ............................................... 1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì) ................................. 1 DCDC 控制電路設(shè)計(jì) (充電電路 ) ................................. 1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ............................................... 2 切換電路設(shè)計(jì) ................................................. 3 采樣電路設(shè)計(jì) ................................................. 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ................................................. 4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ........................................... 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(wèn)題。在這個(gè)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(guò)很長(zhǎng)時(shí)間，太陽(yáng)能通過(guò)各種轉(zhuǎn)換，被地球上各個(gè)角落的生物儲(chǔ)存起來(lái)。但是人類已經(jīng)在這個(gè)星球上生活在了數(shù)千年，在這數(shù)千年里，這些能源無(wú)時(shí)無(wú)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(lái)全球能源消耗數(shù)目將繼續(xù)增長(zhǎng)，地球上可用的化石能源必將會(huì)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(huì)環(huán)境便會(huì)由此承受巨大危險(xiǎn)。 面對(duì)以上情況，如何讓可持續(xù)發(fā)展 成為現(xiàn)實(shí)，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(wèn)題。從能源提供的多方面因素著眼，太陽(yáng)能毫無(wú)疑義的成為理想的綠色新能源。太陽(yáng)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(guò)和常規(guī)發(fā)電技術(shù)比較，太陽(yáng)能發(fā)電具有①可無(wú)限使用；②不會(huì)造成危害、穩(wěn)定性好，沒有噪聲，沒有向環(huán)境排放污染，無(wú)公害；③可以安裝在各個(gè)角落，而且可以安裝在不影響人類生活的地方優(yōu)勢(shì)；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(fèi)者從情感上易采納；⑦很短的建設(shè)時(shí)間，能源利用獲取時(shí)間 短等優(yōu)勢(shì)。而且，硅作為光伏電池的主要原料存儲(chǔ)量極為豐富，并且伴著太陽(yáng)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(fèi)用己經(jīng)呈現(xiàn)急劇走低的勢(shì)頭。據(jù)此預(yù)見，太陽(yáng)能發(fā)電在全球的未來(lái)發(fā)展中勢(shì)必會(huì)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(dòng)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展 太陽(yáng)能向其他形式的能轉(zhuǎn)換的方式多種多 樣： 太 陽(yáng) 能 轉(zhuǎn) 換 方 式光 電 轉(zhuǎn) 換光 熱 轉(zhuǎn) 換光 化 學(xué) 轉(zhuǎn) 換 國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與前景 目前，全球各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)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(zhǎng)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(guó)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(chǎng)等方式來(lái)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(zhǎng)， 2021 年全世界總產(chǎn)量便達(dá)到了 1 109W。 鑒于太陽(yáng)能光伏發(fā)電有很多優(yōu)勢(shì)，其研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)和市場(chǎng)開拓已經(jīng)成為目前全球各國(guó)，尤其是世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的主要熱點(diǎn)。 21 世紀(jì)以來(lái)，一部分發(fā)達(dá)國(guó)家相繼制定了發(fā)展涉及太陽(yáng)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(guó)和日本為奪取世界光伏發(fā)電市場(chǎng)的首要地位，紛紛制定實(shí)施了太陽(yáng)能技術(shù)的研發(fā) 計(jì)劃，比如，到 2021 年，美國(guó)計(jì)劃將會(huì)總安裝 109 W (其中包括了百萬(wàn)屋頂計(jì)劃 )；日本計(jì)劃將會(huì)總安裝 5 109 瓦 (日本新陽(yáng)光計(jì)劃 )、德國(guó)計(jì)劃累計(jì)安裝 ，歐盟計(jì)劃累計(jì)安裝3GW，澳大利亞計(jì)劃累計(jì)安裝 ，中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家計(jì)劃安裝 ~2GW[1]。 據(jù)預(yù)測(cè)，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(chǎng)和很好的發(fā)展前景。 我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀與前景 我國(guó)從 1958 年才開始研究太陽(yáng)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(yáng)能電池。我國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了兩次跳躍，首次是在 20 世紀(jì) 80年代后期，我國(guó)正處于改革開放蓬勃發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)相繼引入了多條光伏電池生產(chǎn)線，我國(guó)的光伏電池生產(chǎn)能力由起初的 3個(gè)小工廠生產(chǎn)的幾百 KW 提高到 6 個(gè)工廠生產(chǎn)的 106W，中央政府、地方政府、國(guó)家工業(yè)部委和國(guó)家大型企業(yè)在引進(jìn)的太陽(yáng)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(xiàng)目 /市政項(xiàng)目的啟動(dòng)和市場(chǎng)的帶動(dòng)；如： 2021 年由我國(guó)法改委承擔(dān)實(shí)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(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。 2021 年以前，我國(guó)還存在約三萬(wàn)個(gè)村莊，七百萬(wàn)多戶，三千萬(wàn)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(wèn)題，由此可見，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)潛力巨大。 2021 年國(guó)內(nèi)光伏電池制造能力跨過(guò)了 3 108W 大關(guān)。預(yù)計(jì)在 2021 后的十幾年中，太陽(yáng)能光伏電池的市場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生巨大的變革， 2021 年前中國(guó)太陽(yáng)電池基本上是應(yīng)用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。預(yù)計(jì)，后十年（即到 2020 年），中國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)主流將會(huì)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(shí)變化。根據(jù)太陽(yáng)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(diǎn)也隨著相應(yīng)改變。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度和大氣的透光率都是動(dòng)態(tài)變化的，這就給建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)了困難。在環(huán)境溫度以及太陽(yáng)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(gè)恰當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，光伏電池才可以輸出最大功率， 這時(shí)太陽(yáng)能光伏電池的工作點(diǎn)即是最大功率點(diǎn) (Maximum Power Poi