【正文】 污染是我國重要的環(huán)境污染類型，能源生產(chǎn)和能源消費所引起的環(huán)境污染問 題已經(jīng)嚴重制約了我國的可持續(xù)發(fā)展，我國潛在的能源需求對環(huán)境也造成了巨大的壓力。世界能源消費結構正在向著清潔 、 低碳或無碳的核能 、 天然氣 、 風能和太陽能方向發(fā)展。光熱發(fā)電是利用太陽光的熱效應，通過熱動力裝置來發(fā)電；光伏發(fā)電是利用太陽能電池實現(xiàn)光能與電能的相互轉化，從而實現(xiàn)太陽能的利用。因此，大力發(fā)展風能 、 太陽能等可再生能源，是改善我國的能源結構，解決我國能源問題的有效方法。由于太陽能所具有的取之不盡 .用之不竭的特點，太陽能光伏發(fā)電成為最有發(fā)展前景的一種新能源技術，世界各國紛紛投入人力物力研究開發(fā)太陽能光伏發(fā)電技術，將太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)做為解決能源和環(huán)境問題的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)加以重點支持，使 全球太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得以迅猛發(fā)展。 中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè) 我國對太陽能電池的研究始于 1958 年。 我國實施了很多重大光伏項目，這些項目對我國光伏市場和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都起到了積 極地推動作用。 本文研究的目的 .意義及主要研究工作 本文研究的目的和意義 太陽能光伏發(fā)電技術對改變我國的能源消費結構，解決由于能源消費而引起的環(huán)境問題，實現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展都可以起到積極的作用，對我國建設資源節(jié)蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 8 約型 、 環(huán)境友好型社會，實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化都具有重大意義。在測試過程中必須對太陽能電池組件在給定光強下的各種數(shù)據(jù)進行采集，要準確而高效地完成太陽能電池數(shù)據(jù)的采集，必須用到太陽能電池測試系統(tǒng) 。 ，用目前流行的單片機語言，編寫了實現(xiàn)本課題做需的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信等功能的軟件程序。由于許多新技術的采用，太陽能電池的效率有了很大提高，新南威爾士大學的科研人員 領導 的研究小組，已經(jīng)使單晶硅太陽電池轉換效率高達 ％。 太陽能電池的工作原理及等效電路 太陽能電池的工作原理 太陽能電池的制作材料多種多樣，有硅 .硒 .砷化鎵 .硫化鎘等，但目前在全球占據(jù)主導地位的主要是硅材料太陽能電池 ，因此本文中主要以硅材料太陽能電池為代表來討論太陽能電池的工作原理。如果少數(shù)載流子離 pn結的距離小于它蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 10 的擴散長度，就會有擴散到結界面處的幾率。在外電路處于開路狀態(tài)的情況下，這些光生電子和空穴會積累在 pn結附近，結果使 P 區(qū)獲得附加正電荷， n 區(qū)獲得附加負電荷，在pn結上就會產(chǎn)生光生電動勢。當有太陽光照射到太陽能電池表面時， pn 結的平衡狀態(tài)會被破壞，將產(chǎn)生 一 個從 n 區(qū)流向P 區(qū)的光生電流 Iph，同 時，存在一個從 p 區(qū)流向 rl區(qū)，與光生電流方向相反的暗電流 ID，我們把光生電流的方向定義為參考正方向，因此，可以得到理想 pn 結太陽能電池的伏安特性可以表示為： 蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 11 (22) 考慮到太陽能電池的材料 .制造工藝等因素，硅片的內(nèi)部阻抗和電極接觸會引起串聯(lián)電阻 Rs， pn 結內(nèi)部的不完整性會引起并聯(lián)電阻 Rsh， pn 結還具有結電容Cj。電壓 、 電流方向如圖中所示，可以得出太陽能電池的 IV 方程為： (23) 對實際使用的太 陽能電池而言，它們的參數(shù)各不相同，因此，在方程中的參數(shù)應處理為集中參數(shù)。由圖中可知，太陽能電池的伏安特性曲線是非線性的，該曲線受太陽能電池自身的工藝參數(shù)，外界光照的強度和太陽能電池自身溫度等因素的影響。太陽能電池有一個最大輸出功率 點，工作在最大功率點上時利用效率才最高。 Pm：太陽能電池的輸出電壓和電流隨負載變化而變化，如果選擇的負載值使輸出電壓和電流的乘積最大，這個乘積即為太陽能電池的最大輸出功率 Pm，此時的輸出電壓和電流分別稱為最佳工作電壓和最佳工作電流，分別用 Vm 和 Im 表示。 Rs：串聯(lián)電阻主要由半導體材料的體電阻 .半導體材料與電極的接觸電阻 .金屬導體電阻和電極導體電阻等組成。太陽能電池的伏安特性曲線與 日 照強度和電池溫度有關，通常，地面上同照強度的變化范圍是 0 到 1000W/m2，電池溫度的變化范圍是 10℃到 70℃ 。 蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 14 圖 24 不同日照強度下太陽能電池的伏安特性曲線 電池溫度對太陽能電池伏安特性的影響 保持日照強度等條件不變，短路電流隨溫度升高有輕微增加，開路電壓隨溫度的升高而降低，與溫度幾乎成線性變化。 本章小結 本章主要介紹了太陽能電 池依據(jù)不同標準而采用的幾種不同分類方法：并以目前在市場中占主導地位的硅材料太陽能電池為例，討論了太陽能電池的工作原理，結合相關的電子學理論知識和太陽能電池自身的特點，給出了太陽能電池的等效電路和伏安特性方程；最后簡要闡述了太陽能電池的性能參數(shù)和測試方法。采集到的電壓信號經(jīng)集成運放 LM324 放大到 一 伏之間，轉換結果由單片機處理。我們可以采用DS18B20 采集溫度，再進行溫度數(shù)值轉化，再在顯示電路上顯示 。 光強信號采集單元 PT100 溫度采集器DS18B20 電壓、電流采集單元PT100 16F877 PIC 單片機 查詢方式鍵盤 LED 顯示 串口通信 蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 16 圖 32 方案 二 方框圖 方 案比較 從以上兩種方案中，很容易看出采用方案二所設計的電路相對來說稍微復雜，但外圍電路的復雜卻大大簡化了程序方面的編寫。 本設計要求顯示每次采集任務的具體數(shù)值 ， 從顯示的內(nèi)容，以及考慮到設計的可靠性，最后決定選擇 LCD 顯示 最為合適。 根據(jù)太陽能電池測試原理及本文所選器件的特性，可以做出本文數(shù)據(jù)采集部分的總體結構如圖 41 所示： 圖 41 數(shù)據(jù) 采集部分總體結構 本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集太陽能電池的電壓 .電流 .測試光強 .電池溫度四種數(shù)據(jù)。這些都是 P1C16F877 的特點。大部分的單片機引腳都可以同時具備雙向輸入輸出的功能，基本上是作為一個輸入引腳或輸出引腳使用，只是引腳的陰抗特性有個同罷了。 當引腳當作 I/O 口使用時，主要有兩個寄存器，一個是 PORTx(也可用 Rx 表示 )，另外一個是 TRISx。基本上 I/O 口的使用并不困難。這其實不僅是作為標準 I/O 引腳時所具有的電氣特性，在作為其他的外圍功能的輸入輸出引腳時，也有相同的問題要注意。 PORTB 是一個 8 位寬的雙向 I/O 端口，同樣也使用 TRISB 寄存器來設置端口引腳作為輸入 /輸出引腳，用 RB 寄存器作為端口引腳數(shù)據(jù)的緩沖器。 PORTC 是一個 8 位寬的雙向 I/O 端口，同樣也是使用 TRISC 寄存器來設置端口引腳作為輸入輸出引腳，用 RC 寄存器作為端口引腳數(shù)據(jù)的緩沖器。因此在使用 PORTC 的外圍模塊時，盡量避免寫入或讀取 TRISC 這個寄存器。作為 PSP 功能時全部的引腳同時作為總線引腳，不能選擇性地使用。 數(shù)據(jù)采集部分硬件電路設計 本文設計的數(shù)據(jù)采集部分的電路原理圖如圖 42 所示： PIC16F877V DD4MHZ30PFCDEFFGHR A 3 / A N 3R A 2R A 1R A 0R B 2R B 1R B 0R B 3V S SGNDVCCDS18B20GDM1602KMAX232+5VC 1 C 2 C 2 C 1 T 2 O U TR 2 I NVV+ G N DDB9R D 0R D 1R D 2R D 3R D 4R D 5R D 6R D 7R C 1R C 2R C 3R B 4R B 6R B 5R B 7R C 7 / R XR C 6 / T XDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7ER/WRSV0VDDLEDALEDKUISTT 2 I NR 2 O U T1K ?1K ?C12C10C3C13V SSM C L RDQ+5V+24V+VO P T OP U LD I RE N AA+AB+B紅黃綠藍負載電阻Q2HB44MGBS57HB56+5V +5V+5V1K175KM3DELAY DELAY DELAYKM1 KM2太陽能電池1K?K3K11 K12 K22 K21+5V+5V10uFC1C L K I NC L K O U T30PFC21K1K+5V+5V+5V10K?10K?10K?10K?+5V 圖 42 數(shù)據(jù)采集電路原理圖 蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 22 太陽能電池1K? 圖 43 數(shù)據(jù)采集部分電路圖 圖 42 和圖 43 所示是數(shù)據(jù)采集電路原理圖的兩個部分，圖 42 所示的內(nèi)容包括單片機 、 溫度采集器件 DS l8B步進電機 、 電壓轉換芯片 MAX232 和 RS232接口 DB9，圖 33 中所示為起開關作用的三個固態(tài)繼電器，它們都通過引腳與單片機芯片連接。 鍵盤設計 本設計需要測量的是電壓、電流、光強和溫度的數(shù)值，所以需要有按鍵的配合，當按下某個按鍵時測量電路就會去測量這個按鍵相對應的測量任務，然后經(jīng)過 A/D 轉換，最后再在單片機中處理完畢后送入 LCD 顯示部分來顯示出來。負載電阻采用的是多 圈電位器，單片機通過步進電機驅動器控制步進電機的轉動來帶動多圈電位器的轉動，從而改變負載電阻的阻值；圖中的開關 K K K3 采用固態(tài)繼電器，由單片機輸出的控制信號不斷使固態(tài)繼電器導通與切斷，以組成不同的回路來測量所需的電壓和電流。 K3 斷開， K1 連接到 K12， K2 連接到 K22，此時太陽能電池和負載電阻組成的回路處于開路狀態(tài)，此時測得的電壓 V 即為太陽能電池的開路電壓 Voc。 步進電機系統(tǒng)設計 步進電機是一種可以將數(shù)字輸入脈沖轉化成角位移的執(zhí)行元件，步進電機有一些基本參數(shù)，如固有步距角 、 相數(shù) 、 保持轉矩等。和一般的電動機相比，步進電機具有以下特點： ，采用微處 理器作為控制器能很好兼容； ，步距誤差不會長時間積累； ，仍具有良好的定位精度； 、停止、正反轉變化和變速響應好； ，可靠性高； ； ，需要專用的驅動器驅動； 。驅動器的 A+， A， B+，B四個端子分別接步進電機的紅 .綠 .黃 .藍四條引線， +V 端子接 +24V 的電源，OPTO 端子接 +5V 光電隔離電源。本文根據(jù)這一原理，在測量太陽能電池的光照強度時，采用一塊小面積的太陽能電池作為光照強度傳感器，在太陽能電池的正負極之間接入阻值很小的電阻，此時，可以認為太陽能電池處于短路狀態(tài)，測量太陽能電池兩端的電壓，從而計算出此時太陽能電池的短路電流，根據(jù)太陽能電池 的短路電流與日照強度成正比例關系的原理，間接 得到光照強度的數(shù)值。 3 支持多點 組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實現(xiàn)多點測溫 4 工作電源 : 3~5V/DC 5 在使用中不需要任何外圍元件 6 測量結果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送 7 不銹鋼保護管直徑 Φ6 8 適用于 DN15~25, DN40~DN250 各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫 9 標準安裝螺紋 M10X1, , G1/2”任選 10 PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線 ,便于與其它電器設備連接 由于被測溫 度直接采用數(shù)字形式輸出，因此無需外加 A/D 轉換器，其電路連接如圖 39 所示。 （ 1） GND 地信號 蘭州 理工大學畢業(yè)設計說明書 29 （ 2） DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。 圖 410 DS18B20 外形及引腳排列 DS18B20 的方框圖如圖 411 所示 圖 411 DS18B20 方框圖 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。 第 5 字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率。點陣字符型的 LCD 將 LCD 板、 PCB 板和控制驅動電路組成在一起，形成了點陣 LCD 模塊。如圖所示。接口部分主要指令寄存器（ IR）、指令譯碼