【正文】 1954 年 世 界第 一 塊 實(shí) 用 化太 陽 能 電 池 在美 國 貝 爾 實(shí) 驗(yàn)室 問世，并首先應(yīng)用于空間技術(shù)。光伏 陣列就 是由許多太陽電池組件經(jīng)過相應(yīng)的串、并聯(lián)后構(gòu)成。頂區(qū) 表面有 柵狀 金屬電 極， 硅片背 面為金 屬底電極。光 生電子 留于 N＋區(qū) ，光生 空穴留 于 P區(qū)，在 PN＋ 結(jié)的兩 側(cè)形成 正負(fù) 電荷的 積累， 產(chǎn)生 光生電 壓， 此為光 生伏打 效應(yīng)。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光生電流對紅外光 敏感，占 80－ 90%，是光生 電流的主要組成部分。為了 降低生 產(chǎn)成 本，現(xiàn) 在地 面應(yīng)用 的太陽 能電池等 采用太 陽能級 的單 晶硅棒 ，材料 性能 指標(biāo)有 所放 寬。這種 硅錠鑄 成立 方體后 通過 切片加 工成方 形太陽能 電池片 ，提高 了材 料利用 率和方 便組 裝多晶 硅太 陽能電 池與單 晶硅太陽能電池的制作工藝差不多，其光電轉(zhuǎn)換率約 12%左右，稍 低于單 晶硅太陽 能電池 ，但其 材料 制造簡 便，節(jié) 約電 耗，總 的生 產(chǎn)成本 較低， 因此得到大量發(fā)展。 同時(shí) ，非晶 硅太陽 能電 池很薄 ，可 以制成 疊層式 或采用集 成電路 的方法 制造 ，在一 個(gè)平面 上， 用適當(dāng) 的掩 模工藝 ，一次 制作多個(gè) 串聯(lián)電 池，以 獲得 較高的 電壓。 太 陽 能 電 池 的發(fā)展 種類 多元化 合物太 陽能 電池： 多元 化合物 太陽 能電池 指不 是用 單一元素半導(dǎo)體 材料制 成的太 陽能 電池。但由 于有 機(jī)材料 制備 太陽能 電池的 研究僅僅 剛開始 ，不論 是使 用壽命 、電池 效率 都不能 和硅 電池相 比，能 否發(fā)展成 為具有 實(shí)用意 義的 產(chǎn)品， 還有待 于進(jìn) 一步研 究探 索。 太 陽 能 電 池 的電氣 特性 太陽能 電池的 電氣 特性為 研究 、質(zhì)量 保證 和生產(chǎn) 所需 。 （ 4） Pmax的電壓 (Vmax ) 電池在 Pmax的電壓電平 。計(jì) 算方法 是用 標(biāo)準(zhǔn) 條件 (STC) 和太陽能電池表面積 ( Ac，單位是 m2 )下的最大功率點(diǎn) Pmax 除以輸入光 輻照度 ( E，單位是 W/ m2 ) mcPEA?? ? （ 31） 目前：實(shí)驗(yàn)室： η≈ 24%，產(chǎn)業(yè)化： η≈ 15% （ 7）填充因子 (FF) 最大功率點(diǎn) max P 與開路電壓 (Voc) 及短路電流 (Isc) 之比 為： mco c s c o c s cP A EFF V I V I? ?????? （ 32） （ 8） 電池的二極管特性 （ 9） 電池的串聯(lián)電阻 （ 10） 電池的旁路電阻 太陽能 電池板 通常 定義為 封裝 和連接 在一 起的一 個(gè)以 上的 電池。 圖 32 太陽能電池的 IV曲線 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 蓄電池的設(shè)計(jì) 蓄電池 的選擇 一般 要遵循 以下 原則： 首先 在能夠 滿足 夜晚 照明的前提下， 把白天 太陽能 電池 組件的 能量盡 量存 儲下來 ，同 時(shí)還要 能夠存 儲滿足連 續(xù)陰雨 天夜晚 照明 需要的 電能。最 大限度 地延長 蓄電池的使用壽命是影響整個(gè)系統(tǒng)周期成本的關(guān)鍵因 素。 蓄電池的容量 BC 計(jì)算可用下公式： 0LLA Q N TBC CC? ? ?? Ah (33) 式中： A 為安全系數(shù)，取 ～ 之間； QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；（ QL= 10=7Ah 這里的 LED提供的恒定電流 ） NL 為最長連續(xù)陰雨天數(shù)； T 為溫度修正系數(shù)，一般在 0℃以上取 1，－ 10℃以上取 ，－ 10℃以下取 ； CC 為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取 ，堿性鎳鎘蓄電池取。 （ 2） 采用膠體電解質(zhì)技術(shù)，絕無酸液濃度層化問題，完全消除因濃度層化引 起的極板腐蝕和鈍化現(xiàn)象。 （ 6） 內(nèi)部過量電解液設(shè)計(jì)，在高溫和過充情況下工作可靠，性能明顯優(yōu)于 AMG 電池 ，更適合惡劣環(huán)境下使用。主 要原因 是本 系統(tǒng) 對實(shí)時(shí)響應(yīng)能力 的。 C8051F020 器件 是完 全集 成的 混合信 號系統(tǒng)級 MCU 芯片，具有 64個(gè)數(shù)字 I/O引腳。 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) 。 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 。 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感 器具有片內(nèi) 。 外圍電路 1）時(shí)鐘電路： 每個(gè)單片機(jī)內(nèi)部的各種功能電路幾乎全部是由數(shù)字電路構(gòu)筑 而成的 。本次設(shè)計(jì) 選擇晶體方式， 時(shí)鐘電路由一個(gè)晶振和兩個(gè)小電容組成， 晶振選用 ，電容為 30pF。本次設(shè)計(jì) 使用看門狗復(fù)位電路 。 因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng) (BSS)從一開始就可提供全面的 GPRS覆蓋。 GPRS理論帶寬可達(dá) ，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在 40~100Kbps，在此信道 上提 供 TCP/IP連接 ，可以 用于 INTERNET連 接、 數(shù)據(jù) 傳輸 等應(yīng)用 。 GPRS 模塊的選型 方案一：采用 LQ8200。LQ8200采用的 GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且 按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。 永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)： LQ8200上電即自動 撥號上網(wǎng)，一直在線，斷線重 撥連接 ；按照 接收 和發(fā)送 數(shù)據(jù)包 的數(shù) 量來收 取費(fèi) 用，沒 有數(shù)據(jù) 流量傳遞時(shí)，不收 費(fèi)用。 內(nèi)置看門狗，具備異常重起?？梢宰尮I(yè)用的 RS232/RS485串口通信 立即轉(zhuǎn)換為 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 顯示模塊 本系統(tǒng)要對采樣電壓、電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 ，需要用到顯示器 。 方案二 ：采 用 LED數(shù) 碼顯 示管。本方案采用 LCD液晶顯示器 SMG12864G2ZK。 顯 示 模 塊 的 接口電 路 液晶顯示接口電路如圖 44所示，液晶 顯示器的數(shù)據(jù)總線 DB0～ DB7由單片機(jī)的 P6口驅(qū)動，三腳懸空， RST 是液晶復(fù)位引腳， 接 VCC。 BLA是背光源 正極， BLK是背光源負(fù)極。優(yōu) 點(diǎn)是 電路結(jié) 構(gòu)簡 單，可 以通過 單片 機(jī)任意 的 I/O口作為 SCL和 SDA信號線。存儲 相應(yīng) 數(shù)據(jù)的 話可用 超級 電容或 可充 電電池 備份系 統(tǒng)的時(shí)間和日期。 DS1302 工作時(shí)功耗很低 ,保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于 1mW。 DSl2C887也是 美國 Dallas公司 的新 型時(shí)鐘日歷芯 片，能 夠自動 產(chǎn)生 世紀(jì)、 年、月 、日 、時(shí)、 分、 秒等時(shí) 間信息 ，其內(nèi)部 又增加 了世紀(jì) 寄存 器，從 而利用 硬件 電路解 決了 “千年 ”問 題；自帶有 鋰電池 ，外部 掉電 時(shí)，其 內(nèi)部時(shí) 間信 息還能 夠保 持 10年 之久； 對于一天 內(nèi)的時(shí) 間記錄 ，有 12小時(shí) 制和 24小時(shí) 制兩種 模式 。 SCLK是串行數(shù)據(jù)輸入端， RST 是復(fù)位 /片選線，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 當(dāng) RST 為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302進(jìn)行操作。 I/O是串行數(shù)據(jù)輸入 /輸出端，是雙向的 在控制指令字輸入后的下一個(gè) SCLK 時(shí)鐘的上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被寫入 DS1302， 數(shù)據(jù)輸 入從 低位即 位 0 開始。 方案一：采用電壓變送器。 電壓檢測電路 1） 蓄電池電壓采樣電路 蓄電池 電壓檢測電路及電壓計(jì)算公式如圖 46所示： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 50KR41150KR391uFC28GNDBT3 圖 46 蓄電池電壓采樣電路 如圖， C8051F020單片機(jī)有真正 12位的 8通道 ADC，故可以將采樣結(jié)果送到 。 采樣電壓的計(jì)算公式 1434EVURRR??? (41) 2） 太陽能電池電壓采樣 有時(shí)候 ，由于 太陽 能電池 的電 壓過低 而不 能對蓄 電池 充電 ，所以本設(shè)計(jì)還 需要檢 測太陽 能電 池的電 壓，保 證蓄 電池能 正常 充電， 太陽能 電池電壓采樣電路如圖 47所示 +33KR41KR7D33V 圖 47 太陽能電池電壓采樣電路 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 電流采樣模塊 方案選擇 方案一 ：采用 霍爾 電流傳 感器 。 經(jīng)過比 較，采 用電 流傳感 器 測 量電流 方便 簡單， 響應(yīng) 時(shí)間 快， 可以同時(shí)測量充電和放電電流， 因此選擇方案一。 6A，額定輸出電壓為 177。已大批量應(yīng)用的有 1W 和3W LED， 其正 朝著 大電 流（ 300mA～ ） 、高 效率（ 60～ 120lm/W）、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。 工作溫度： 40℃ ~ +85℃。 并聯(lián)方 式： 要求 LED 驅(qū)動 器輸出 較大 的電 流，負(fù) 載電 壓較低 。 混聯(lián)方 式： 在需要 使用 比較 多 LED 時(shí)，如 果將 所有 LED 串聯(lián) ，將需要 LED 驅(qū) 動器 輸出較 高的 電壓。同時(shí)通過每串 LED 的電流也相近。電流 過強(qiáng) 會。 伏安特性的表達(dá)式 : ? ?/ 1DrVDSi I e ??? （ 42） 式中： Di — 通過 PN結(jié)的電流 D? — PN結(jié)兩端的外加電壓 rV — 溫度的電壓當(dāng)量 e — 自然對數(shù)的底 SI — 反向飽和電流 圖 410 PN結(jié)的伏安特性曲線 所以， 其正向 壓降 的微小 變化 會引起 較大 的正向 電流 變化 。將所有 LED 串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著 LED 的使用 量，而且并聯(lián) LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動器的成本也會大增。 串聯(lián)方 式： 要求 LED 驅(qū)動 器輸 出較 高的電 壓。 最高額定工作電流 700mA，最高脈沖電流 (在 1 kHz， 10%占空比條件下 ) A ， 防靜電＞ 20210V，50000 個(gè)小時(shí)后光衰低于 30%。 在本課題中選用美國 CREE 公司的 3W 白光 LED 芯片，其特點(diǎn)： 當(dāng)芯片工作電流 700 mA 時(shí)，工作電壓平均為 ，光通量最高可達(dá) 160 lm，色溫： 5000K10000K。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 圖 49 輸出電壓 初級電流 LED 燈的設(shè)計(jì) LED 芯 片 選 取 及 組合 方式 按目前市場產(chǎn)品的輸入功率進(jìn)行分類，其輸入功率為幾十個(gè) mW 的LED，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功 率小于 1W 的 LED，叫做功率 LED；對于輸入功率等于 1W或大于 1W 的 LED，則叫做 W 級功率（大功率） LED。 電流 傳感器主要有 +、 OUT、 0和 i+、 i五 個(gè)端 口， 傳 感器通 過 i+和 i接 入電路 中， +接+5V， 0接地， OUT通過兩個(gè) 分壓電阻分壓，把輸出 電壓限制在 ， 跟隨器的輸出接單片機(jī)的 ，電路圖如圖 48所示。此 系列電 流傳 感器的 初、 次級之 間是絕緣的，可用于測量直流、交流和脈沖電流。本控 制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊就是采用的 C8051F020片內(nèi) 基準(zhǔn)電壓，蓄電池采樣電 路將采集的信息送到 A/D轉(zhuǎn)換器，通過單片機(jī)的分析，判斷當(dāng)前電池的工 作狀態(tài)。 方案二：電壓檢測電路主要是將蓄電池兩端的電壓進(jìn)行采 集，利用 2個(gè) 分壓電阻來獲得采樣電壓。 10KR2410KR2510KR26VCCGND100pFC21100pFC22BT212Y2Vcc28SCLK7I/O6RST5GND4X23X12Vcc11U4 DS1302 圖 45 時(shí)鐘芯片的接口電路 電壓采樣模塊 方案選擇 在獨(dú)立 的太陽 能應(yīng) 用產(chǎn)品 中， 蓄電池 是整 個(gè)系統(tǒng) 的重 要組 成部分，對蓄電 池的保 護(hù)也至 關(guān)重 要，所 以電路 中必 須設(shè)計(jì) 有蓄 電池兩 端電壓 的檢測電 路，來 檢測蓄 電池 電壓的 大小， 從而 控制器 有效 地工作 。上電 運(yùn)行 時(shí)，在 Vcc≥ 之 前， 必須 保持低 電平。 綜合 所述 ，考 慮我 們所處 的時(shí) 間、本 系統(tǒng) 的使用 壽命 以及 系統(tǒng)的功能要求，選擇方案一。 雙電 源 管 腳 用于 主 電 源 和備 份 電 源供 應(yīng)Vcc1,為可編程涓流充電電源附加七個(gè)字節(jié)存儲器 。時(shí)鐘操作可通過 AM/PM 指示 ， 決 定采用 24 或 12 小時(shí)格式 。成本較低。 時(shí)鐘電路 方案選擇 方案一 ： 采用 DSl302。 RW是讀寫 控制 端，高電平 選擇讀 命令， 低電 平選擇 寫命令 。可與 CPU直接接口 ，提供兩 種界面 來連接 微處 理機(jī)： 8位并 行及 串行兩 種連 接方式 。缺點(diǎn) 是顯示 的容量?。伙@示需要以動態(tài)掃描的方式實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。 與 LED比較 ，它的 工作 電流小 ，顯示容量大，可實(shí)現(xiàn)漢字及圖像的顯 示，美觀 、大方、顯 示