【正文】 0 充電控制程序 40 放電控制程序 41結(jié)論 44參考文獻 45致謝 47附錄1 48附錄2 53附錄3 57附錄4 64第1章 緒論 關(guān)于本課題的背景及研究意義能源是當(dāng)今世界存在和保持發(fā)展的核心動力，隨著社會生產(chǎn)的擴大、科技的發(fā)展、人口的增長等，對能源的需求也在不斷增長，當(dāng)今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長的挑戰(zhàn)，全球范圍內(nèi)的能源危機也日益突出。目前太陽能發(fā)電有兩種方法[3]：一種是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電；另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電。基于薄膜技術(shù)的第二代光伏電池中，很薄的光電材料被鋪在非硅材料的襯底上，大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，且易于批量自動化生產(chǎn)，從而大大降低光伏電池的成本。[6] 太陽能路燈控制器技術(shù)現(xiàn)狀在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電源控制器是整個系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)對儲能設(shè)備的充電和對負(fù)載的放電任務(wù)。 論文主要研究內(nèi)容本論文以獨立太陽能路燈系統(tǒng)為例，針對太陽能路燈系統(tǒng)的充分利用太陽能電池，對蓄電池的保護，LED路燈工作方式切換等問題，研究設(shè)計了一種基于51單片機的太陽能光伏電源控制器。 太陽能電池基本工作原理光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。當(dāng)具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時，光子激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向N型半導(dǎo)體擴散，空穴向P型半導(dǎo)體擴散，并分別聚集于兩個電極部分。正是因為這種電場的存在，半導(dǎo)體裝置就會釋放出大量電子，電子通過晶體硅片電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。[12]（2）薄膜型太陽電池 第二代太陽能電池是繼晶體硅片電池之后發(fā)展起來的薄膜型太陽電池，主要有硅基薄膜型太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜型太陽電池、染料敏化太陽電池等，若按襯底分，其又分為硬襯底和柔性襯底兩大類薄膜型太陽電池。（4）第三代太陽能電池 目前，科學(xué)家們正致力于第三代太陽能電池的研發(fā)和探索。 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型（1）理論數(shù)學(xué)模型 理想光伏電池的等效電路可用一個二極管和電流源并聯(lián)的等效電路來表示。 太陽能電池的基本特性根據(jù)太陽能電池的工程數(shù)學(xué)模型本文建立了太陽能電池陣列的matlab仿真模型，對本課題選用的太陽能電池進行了仿真，下圖為光伏電池仿真模型。蓄電池的效率分為電壓效率、安時效率和瓦時效率，前2項是蓄電池市場所關(guān)注的，對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關(guān)心的是瓦時效率，這是因為太陽能光伏發(fā)電的成本比較高，我們不希望光伏發(fā)電的電能在存儲過程中損失掉，這對于提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率非常重要。（5）不污染環(huán)境 如果蓄電池在充電、放電過程中或者廢棄回收過程中污染了環(huán)境，這種蓄電池就悖于太陽能光伏發(fā)電綠色環(huán)保的初衷，抵消了太陽電池的節(jié)能減排效果；在這方面物理法儲能有獨特的優(yōu)勢。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過程 鉛酸蓄電池屬于電化學(xué)電池，其以海綿狀Pb作負(fù)極，作正極，硫酸作電解液。同時，電解質(zhì)溶液中的硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，因此電解質(zhì)溶液的比重在增加，蓄電池的端電壓在增加，蓄電池的能量也隨之增加。同時，電解質(zhì)溶液逐漸變成水，引起了電解質(zhì)溶液比重的下降，蓄電池的容量減少。隨著放電深度的增加，這種收縮和膨脹的程度越大，結(jié)合力的破壞也越大，因此蓄電池的循環(huán)壽命也就越短。反之放電電流越小，蓄電池放電容量越大，越容易造成深度放電，極小的放電電流會使硫酸鉛的生成量明顯增加，對于負(fù)極板由于轉(zhuǎn)化為后活性物質(zhì)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，會造成極板彎曲或活性物質(zhì)脫落，從而影響到蓄電池的壽命。對于長期處于浮充狀態(tài)的蓄電池，由于長時間的浮充會使電解液里游離物質(zhì)的活性減弱和使鉛酸蓄電池端電壓產(chǎn)生不均衡，嚴(yán)重時甚至?xí)箓€別電池單體正、負(fù)極反轉(zhuǎn)，即發(fā)生“反極”現(xiàn)象，因此對長期處于浮充的蓄電池通常要進行1～3 h的小電流過充的均衡充電來消除長期浮充帶來的蓄電池不均衡，然而均衡充電也是過充充電，所以也是不能太頻繁的進行，一般一年內(nèi)進行1～2 兩次。所以綜合考慮在設(shè)計太陽能光伏系統(tǒng)時對蓄電池安置應(yīng)最大可能的保證蓄電池有一個良好的工作環(huán)境，工作溫度控制在20～30 ℃內(nèi)，這樣能夠延長鉛酸蓄電池的壽命。LED在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已有較悠久的歷史。在同等照度下，LED比白熾燈光源節(jié)能70%，比熒光燈節(jié)能50%。通常產(chǎn)生白光的方式有兩種：一是用單色光激發(fā)熒光粉發(fā)出其他顏色的光，最終混合成白光；二是采用將幾種發(fā)不同色光的芯片封裝在一起的方法，通過這些色光的混合，構(gòu)成發(fā)白光的LED。 白光LED燈的控制方式目前調(diào)節(jié)LED 亮度的方式有兩種[20][30]: （1）調(diào)節(jié)工作電流方式 除了紅光LED 隨著電流的升高亮度會飽和外，一般其他LED 的亮度都會隨著其工作電流的增大而增大，因此可以通過調(diào)節(jié)LED 的工作電流的方法在較大范圍內(nèi)控制LED 的亮度。正常工作時的管壓降為3V～4V。結(jié)合以上工作特性，得到LED的驅(qū)動方式有:恒壓驅(qū)動或稱為電阻限流驅(qū)動方式和恒流驅(qū)動方式兩種。根據(jù)以上介紹，結(jié)合本研究要求，采用恒流驅(qū)動、脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)LED路燈亮度。由于蓄電池的電量與它的端電壓具有一定的關(guān)系，所以通過檢測蓄電池的端電壓可以得到蓄電池的電量。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓允電、階段充電、智能充電和PWM充電等方法。但是恒壓充電方法也有不足之處，在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過高，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，如下圖所示。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時問，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。 最大功率點跟蹤原理光伏陣列的輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況等影響。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對太陽能電池陣列最大功率點的影響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，當(dāng)太陽能電池溫度每升高1℃時，％．％，這說明太陽能電池的最大功率點對應(yīng)的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對太陽能電池溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度和日照強度。 電導(dǎo)增量法光伏陣列的PV曲線是一個單峰曲線，在MPP點功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零。而且由于增量電導(dǎo)法算法較為復(fù)雜，且在跟蹤的過程中需花費相當(dāng)多的時間去執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，為實現(xiàn)實時跟蹤控制系統(tǒng)需采用高速微處理器完成數(shù)據(jù)處理，所以本課題采用擾動觀察法來實現(xiàn)太陽能電池最大功率差點跟蹤。（2）日均光照 以秦皇島為例，日均光照在5小時每天（3）每日放電時間 平均每日放電時間為10小時（傍晚7時到第二天5時），通過PWM控制LED的工作方式每日放電時間縮短為7小時。 系統(tǒng)總體要求本系統(tǒng)為太陽能供電LED路燈控制器，控制芯片采用單片機進行智能化管理和控制，具體要求如下：（1）采用科學(xué)有效的充電模式，在不影響蓄電池使用壽命的前提下充分利用太陽能電池，并保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)。其工作原理圖如圖41所示：圖41 路燈控制器工作原理圖 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)各部分的參數(shù)計算及主要器件的選擇，闡述了控制器的主要功能及系統(tǒng)的工作原理。BuckBoost變換器開關(guān)閉合時的等效電路如圖53，開關(guān)斷開時的等效電路如圖54。求得C的值為215F，取300μF。開關(guān)閉合時能量從電源注入并存儲于電感L之中。具體電路如圖59所示。在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，包括各存儲單元初始化、外部時鐘初始化和溫度傳感器初始化等。進入放電子程序后首先點亮LED燈，然后判斷此時的蓄電池端口電壓是否大于最小閾值電壓U。 energy magazine．2009，7(3)：22～33.12 于靜，車俊鐵，張吉月．太陽能發(fā)電技術(shù)綜述．世界科技研究與發(fā)展．2008，30（1）：56～5913 王長江．基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型．電力科學(xué)與工程．2009，25（4）：111414 孟昭淵．光伏發(fā)電對蓄電池的基本要求及理想儲能方法．陽光能源．2011，（3）：60～6415 普平貴．太陽能路燈系統(tǒng)中蓄電池的優(yōu)化設(shè)計與管理．太陽能．2011，（15）：44～4616 陳維，沈輝，鄧幼?。柲芄夥鼞?yīng)用中的儲能系統(tǒng)研究．蓄電池．2006，（1）：21～2717 朱虹，劉廷章，王建．基于太陽能發(fā)電的LED照明控制技術(shù)．工業(yè)儀表與自動化裝置．2008，（1）：82～8418 李甫元． LED燈．電氣時代．2004，（10）：128～12919 劉宏，張曉晶．高亮度白光LED直流照明燈的研究．節(jié)能與環(huán)保．2005，（8）：5～720 陳維，沈輝，王東海等．太陽能半導(dǎo)體照明驅(qū)動技術(shù)研究．照明工程學(xué)報．2005，（3）：7～1021 王雅芳．大功率LED照明電路特性與驅(qū)動設(shè)計．電子與封裝．2009，9（4）：20～2422 楊曉光，寇臣銳，汪友華．太陽能LＥD照明路燈充電器的研制．太陽能學(xué)報．2010，31（1）：67～7123 胡寅．太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計．上海建設(shè)科技．2。充電控制流程如圖62所示。系統(tǒng)等待狀態(tài)是指：太陽能既不滿足對蓄電池的充電條件，也沒有到照明設(shè)定時間，此時蓄電池只對控制系統(tǒng)供電。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對內(nèi)部資源模塊寄存器和對有關(guān)標(biāo)志位的初始設(shè)置。充放電電路閉環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)，參數(shù)由仿真試湊得到。其電路組成如圖56所示。取1mH。它的電感器同時起著濾波和升壓的雙重作用。由于太陽能電池的最大功率點電壓高于蓄電池的充電電壓，為達(dá)到提高太陽能電池的利用率的目的，充電電路采用了基于BuckBoost型的DCDC降升壓電路的MPPT控制技術(shù)，同時DCDC變換器的引入還可以對蓄電池的充電方式加以控制，實現(xiàn)恒壓充電以及浮充的充電方法，提高蓄電池的充電速度，并延長蓄電池的使用壽命。120％=217 (42)算得的值為89W，選用12V，100W的單晶硅太陽電池。第4章 系統(tǒng)的參數(shù)及總體設(shè)計 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算 LED燈的參數(shù)計算根據(jù)路燈照明的要求，本文選用了3W的大功率LED燈7盞串聯(lián)，每盞燈的額定電流為700mA。固定電壓法優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低，缺點在十精度不足。但是系統(tǒng)必須引入擾動，尋優(yōu)的最后結(jié)果是系統(tǒng)在最大功率點附近的很小范圍內(nèi)來回振蕩，造成能量損失，降低太陽電池效率。從上面可以看出恒電壓法實際上是把最大功率點跟蹤簡化為恒電壓跟蹤。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限電壓Uc后, 充電電路轉(zhuǎn)為恒電壓充電，恒電壓充電期間，充電電流會繼續(xù)減小，直到小于某一閾值，就認(rèn)為充滿，然后采用浮充方式對蓄電池采取實時的補償[22]。 PWM充電法PWM調(diào)制充電方式首先對電池充電一段時問，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復(fù)。三階段充電就是恒壓充電致電流降至某一閾值后，再以恒微電流充電。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。第3章 蓄電池充電方式分析 常用充電方法比較 在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響。太陽能的電池板端電壓與外界光照條件有很大的關(guān)系，因為一天之中光照強度時不斷變化，所以太陽能電池板的端電壓也是不斷變化的:早晨和傍晚電池板的端電壓低，中午左右端電壓最高。圖28 電阻限流驅(qū)動方式 圖29 恒流源驅(qū)動方式比較兩種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，第二種方式更適合于太陽能半導(dǎo)體照明。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。（3）PWM 方式使用控制電路實現(xiàn)起來也比較容易 白光LED燈的驅(qū)動方式白光LED的驅(qū)動方式由它的工作特性決定，其工作特性為[21]：（1）LED是單向?qū)щ娖骷捎谶@個特點，要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。（3）單芯片型中在紫外LED 芯片里涂敷紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，熒光粉被紫外光激發(fā)產(chǎn)生白光。半導(dǎo)體PN 結(jié)發(fā)光實質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。（2）節(jié)能 LED具有電壓低、電流小、亮度高的特性，～1W。（5）除了大型的太陽能電站有專門的放置蓄電池的房間，能做到比較好的維護，其他的小型太陽能光伏系統(tǒng)比如太陽能路燈、太陽能草坪燈等蓄電池工作環(huán)境比較惡劣，夏季高溫和冬季低溫工作也是如此。有資料顯示，對于鉛鈣合金板柵蓄電池正常工作溫度每提高8 ℃，蓄電池浮充壽命減少一半。同時在過充電時正極活性物質(zhì)會遭氣體的沖擊，將使活性物質(zhì)脫落，此外正極板柵合金也會遭到嚴(yán)重的陽極氧化而腐蝕，因此電池過充電會使蓄電池壽命減小。（3）小電流放電 蓄電池的放電電流越大，電流在電極上分布越不均勻，電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近的表面上，從而在離電極最外的表面優(yōu)先生成。其具體原因分析如下[16]：（1）放電深度 放電深度即使用過程中放電到何種程度開始充電，在蓄電池循環(huán)使用時其壽命主要決定于放電深度。整個過程將引起蓄電池電動勢的下降。同時，負(fù)極板上的和正極板在外加電場的作用下輸送來的電子結(jié)合而還原成Pb；電解質(zhì)溶液的H+與結(jié)合，生成。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)使用鎳鎘或鎳氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對充放電控制要求較高的原因，目前在太陽能光伏系統(tǒng)中應(yīng)用還很少。（4）充電放電循環(huán)次數(shù)多 充電放電循環(huán)次數(shù)多，實際上的表現(xiàn)為使用壽命長，這是一個非常重要的指標(biāo)。蓄電池作為整個太陽能路燈系統(tǒng)的儲備能源，它是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。（2）遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，所以假設(shè)。量子點，又稱納米晶、“人造原子”，是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量原子組成，其粒徑一般介于1～10μm。高效