【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(xiàn) 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(dòng)力，隨著社會(huì)生產(chǎn)的擴(kuò)大、科技的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)等，對(duì)能源的需求也在不斷增長(zhǎng)，當(dāng)今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)也日益突出。目前太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方法[3]：一種是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽(yáng)能熱發(fā)電；另一種是通過(guò)光電器件利用光生伏打原理將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電?；诒∧ぜ夹g(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(dòng)化生產(chǎn)，從而大大降低光伏電池的成本。[6] 太陽(yáng)能路燈控制器技術(shù)現(xiàn)狀在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電源控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的充電和對(duì)負(fù)載的放電任務(wù)。 論文主要研究?jī)?nèi)容本論文以獨(dú)立太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)為例，針對(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的充分利用太陽(yáng)能電池，對(duì)蓄電池的保護(hù)，LED路燈工作方式切換等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的太陽(yáng)能光伏電源控制器。 太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，光子激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，勢(shì)壘電勢(shì)就會(huì)推動(dòng)電子向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，空穴向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，并分別聚集于兩個(gè)電極部分。正是因?yàn)檫@種電場(chǎng)的存在，半導(dǎo)體裝置就會(huì)釋放出大量電子，電子通過(guò)晶體硅片電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。[12]（2）薄膜型太陽(yáng)電池 第二代太陽(yáng)能電池是繼晶體硅片電池之后發(fā)展起來(lái)的薄膜型太陽(yáng)電池，主要有硅基薄膜型太陽(yáng)電池、化合物半導(dǎo)體薄膜型太陽(yáng)電池、染料敏化太陽(yáng)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(yáng)電池。（4）第三代太陽(yáng)能電池 目前，科學(xué)家們正致力于第三代太陽(yáng)能電池的研發(fā)和探索。 太陽(yáng)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(gè)二極管和電流源并聯(lián)的等效電路來(lái)表示。 太陽(yáng)能電池的基本特性根據(jù)太陽(yáng)能電池的工程數(shù)學(xué)模型本文建立了太陽(yáng)能電池陣列的matlab仿真模型，對(duì)本課題選用的太陽(yáng)能電池進(jìn)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(shí)效率和瓦時(shí)效率，前2項(xiàng)是蓄電池市場(chǎng)所關(guān)注的，對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關(guān)心的是瓦時(shí)效率，這是因?yàn)樘?yáng)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(chǔ)過(guò)程中損失掉，這對(duì)于提高太陽(yáng)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(guò)程中或者廢棄回收過(guò)程中污染了環(huán)境，這種蓄電池就悖于太陽(yáng)能光伏發(fā)電綠色環(huán)保的初衷，抵消了太陽(yáng)電池的節(jié)能減排效果；在這方面物理法儲(chǔ)能有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過(guò)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(shí)，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(shí)，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(huì)使硫酸鉛的生成量明顯增加，對(duì)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(huì)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(duì)于長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)的蓄電池，由于長(zhǎng)時(shí)間的浮充會(huì)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(shí)甚至?xí)箓€(gè)別電池單體正、負(fù)極反轉(zhuǎn)，即發(fā)生“反極”現(xiàn)象，因此對(duì)長(zhǎng)期處于浮充的蓄電池通常要進(jìn)行1～3 h的小電流過(guò)充的均衡充電來(lái)消除長(zhǎng)期浮充帶來(lái)的蓄電池不均衡，然而均衡充電也是過(guò)充充電，所以也是不能太頻繁的進(jìn)行，一般一年內(nèi)進(jìn)行1～2 兩次。所以綜合考慮在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)時(shí)對(duì)蓄電池安置應(yīng)最大可能的保證蓄電池有一個(gè)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(zhǎng)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(guò)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(huì)飽和外，一般其他LED 的亮度都會(huì)隨著其工作電流的增大而增大，因此可以通過(guò)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(shí)的管壓降為3V～4V。結(jié)合以上工作特性，得到LED的驅(qū)動(dòng)方式有:恒壓驅(qū)動(dòng)或稱為電阻限流驅(qū)動(dòng)方式和恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)、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(guò)檢測(cè)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(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過(guò)高，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(shí)問(wèn)，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。 最大功率點(diǎn)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(qiáng)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(yáng)能電池溫度對(duì)太陽(yáng)能電池陣列最大功率點(diǎn)的影響，一般硅太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，當(dāng)太陽(yáng)能電池溫度每升高1℃時(shí)，％．％，這說(shuō)明太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對(duì)太陽(yáng)能電池溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度。 電導(dǎo)增量法光伏陣列的PV曲線是一個(gè)單峰曲線，在MPP點(diǎn)功率對(duì)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(guò)程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率差點(diǎn)跟蹤。（2）日均光照 以秦皇島為例，日均光照在5小時(shí)每天（3）每日放電時(shí)間 平均每日放電時(shí)間為10小時(shí)（傍晚7時(shí)到第二天5時(shí)），通過(guò)PWM控制LED的工作方式每日放電時(shí)間縮短為7小時(shí)。 系統(tǒng)總體要求本系統(tǒng)為太陽(yáng)能供電LED路燈控制器，控制芯片采用單片機(jī)進(jìn)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(yáng)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(jì)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)的等效電路如圖53，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的等效電路如圖54。求得C的值為215F，取300μF。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)能量從電源注入并存儲(chǔ)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(hù)。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，包括各存儲(chǔ)單元初始化、外部時(shí)鐘初始化和溫度傳感器初始化等。進(jìn)入放電子程序后首先點(diǎn)亮LED燈，然后判斷此時(shí)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(chē)俊鐵，張吉月．太陽(yáng)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(zhǎng)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(duì)蓄電池的基本要求及理想儲(chǔ)能方法．陽(yáng)光能源．2011，（3）：60～6415 普平貴．太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中蓄電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理．太陽(yáng)能．2011，（15）：44～4616 陳維，沈輝，鄧幼?。?yáng)能光伏應(yīng)用中的儲(chǔ)能系統(tǒng)研究．蓄電池．2006，（1）：21～2717 朱虹，劉廷章，王建．基于太陽(yáng)能發(fā)電的LED照明控制技術(shù)．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置．2008，（1）：82～8418 李甫元． LED燈．電氣時(shí)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(yáng)能半導(dǎo)體照明驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究．照明工程學(xué)報(bào)．2005，（3）：7～1021 王雅芳．大功率LED照明電路特性與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)．電子與封裝．2009，9（4）：20～2422 楊曉光，寇臣銳，汪友華．太陽(yáng)能LＥD照明路燈充電器的研制．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)．2010，31（1）：67～7123 胡寅．太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)．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(yáng)能既不滿足對(duì)蓄電池的充電條件，也沒(méi)有到照明設(shè)定時(shí)間，此時(shí)蓄電池只對(duì)控制系統(tǒng)供電。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對(duì)內(nèi)部資源模塊寄存器和對(duì)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(shí)起著濾波和升壓的雙重作用。由于太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)電壓高于蓄電池的充電電壓，為達(dá)到提高太陽(yáng)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(shí)DCDC變換器的引入還可以對(duì)蓄電池的充電方式加以控制，實(shí)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(zhǎng)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(yáng)電池。第4章 系統(tǒng)的參數(shù)及總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 LED燈的參數(shù)計(jì)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(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)在十精度不足。但是系統(tǒng)必須引入擾動(dòng)，尋優(yōu)的最后結(jié)果是系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的很小范圍內(nèi)來(lái)回振蕩，造成能量損失，降低太陽(yáng)電池效率。從上面可以看出恒電壓法實(shí)際上是把最大功率點(diǎn)跟蹤簡(jiǎn)化為恒電壓跟蹤。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門(mén)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(huì)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(duì)蓄電池采取實(shí)時(shí)的補(bǔ)償[22]。 PWM充電法PWM調(diào)制充電方式首先對(duì)電池充電一段時(shí)問(wèn)，然后讓電池停止充電一段時(shí)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(guò)，這樣充電過(guò)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(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對(duì)系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響。太陽(yáng)能的電池板端電壓與外界光照條件有很大的關(guān)系，因?yàn)橐惶熘泄庹諒?qiáng)度時(shí)不斷變化，所以太陽(yáng)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(dòng)方式 圖29 恒流源驅(qū)動(dòng)方式比較兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，第二種方式更適合于太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明。LED的光通量隨著流過(guò)LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來(lái)光通量增加得越少。（3）PWM 方式使用控制電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易 白光LED燈的驅(qū)動(dòng)方式白光LED的驅(qū)動(dòng)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(gè)特點(diǎn)，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(shí)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(yáng)能電站有專門(mén)的放置蓄電池的房間，能做到比較好的維護(hù)，其他的小型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)比如太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)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(duì)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(shí)在過(guò)充電時(shí)正極活性物質(zhì)會(huì)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(huì)遭到嚴(yán)重的陽(yáng)極氧化而腐蝕，因此電池過(guò)充電會(huì)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(guò)程中放電到何種程度開(kāi)始充電，在蓄電池循環(huán)使用時(shí)其壽命主要決定于放電深度。整個(gè)過(guò)程將引起蓄電池電動(dòng)勢(shì)的下降。同時(shí)，負(fù)極板上的和正極板在外加電場(chǎng)的作用下輸送來(lái)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(yáng)能草坪燈和便攜式太陽(yáng)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(duì)充放電控制要求較高的原因，目前在太陽(yáng)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(shí)際上的表現(xiàn)為使用壽命長(zhǎng)，這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。蓄電池作為整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源，它是整個(gè)太陽(yáng)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)娮瑁约僭O(shè)。量子點(diǎn)，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