【文章內(nèi)容簡介】 件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對系統(tǒng)有保護(hù)作用。 逆變器：逆變系統(tǒng)是把 蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的 220V 交流電，保證交流電在設(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；在逆變器的電路結(jié)構(gòu)形式上，主要是工頻變壓器和高頻變壓器兩種形式。對一個風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器是一種電力電子設(shè)備，抗過載，抗沖擊的能力要相對弱一些，是最易出故障的單元。 太陽能電池 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 微機(jī)控制系統(tǒng) 逆變器 蓄電池 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 3 光伏發(fā)電介紹 太陽能光伏電池的原理 太陽能光伏電池 (簡稱光伏電池 )用于把太陽的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前世界各國正在研究的太陽電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜 合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價格更便宜。另外，還有其它類型的太陽電池。 太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換是應(yīng)用 PN 結(jié)的光伏效應(yīng) （ Photovoltaic Effect）。首先對 PN結(jié)二極管做一簡單說明。如圖 31 所示，為一理想的 PN 結(jié)二極管的電流 電壓（ IV）特性圖，其對應(yīng)的方程式如下： ???????? ?????????????????? ???????? ?? 1e xp1e xpTpnspnspn nVVInk TqVII （ 1） Ipn， Vpn： PN 結(jié)二極管的電流及電壓 k：波爾茲曼常數(shù)（ Boltzmann Constant： 1023J/K） q：電子電荷量（ 1019 庫侖） T：絕對溫度（凱氏溫度 K＝攝氏溫度＋ 273 度） Is：等效二極管的逆向飽和電流 VT：熱電壓（ Thermal Voltage： ） 太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能是依賴自然光中的的量子 光子（ Photons），而每個光子所攜帶的能量為 Eph： ? ? ?? hcEph ? （ 2） h：普郎克常數(shù)（ Planck Constant： 1015eVS） c：光速（ 3108m/s） λ：光子波長 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 31 PN結(jié)二極管 IV特性圖 但并非所有光子都能順利地通過太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，因為在不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣。 當(dāng)光子所攜帶的能量大于禁帶（ Band Gap）能量時，電子由價電帶（ Valence Band）躍遷至導(dǎo)電帶（ Conduction Band）而產(chǎn)生所謂的 “ 電流 ” ，所以當(dāng)光子所攜帶的能量若大于禁帶能量時，便可以通過光電子轉(zhuǎn)換成電能。 當(dāng)入射太陽光的能量大于硅半導(dǎo)體的禁帶能量時，太 陽光子照射入半導(dǎo)體內(nèi)，把電子從價電帶激發(fā)到導(dǎo)電帶，從而在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了許多 “ 電子 空穴 ” 對，在內(nèi)建電場的作用下，電子向 N 型區(qū)移動，空穴向 P 型區(qū)移動，這樣， N 區(qū) 有很多電子， P 區(qū)有很多空穴，在 PN 結(jié)附近就形成了與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，它的一部分抵消了內(nèi)建電場，其余部分則使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負(fù)電，于是在 N 區(qū)與 P 區(qū)之間產(chǎn)生了光生伏打電動勢，這就是所謂的 “光生伏打效應(yīng) ”。 如果位太陽電池開路，即組成電池回路中，負(fù)載電阻為無窮大，則被 PN 結(jié)分開的電子和空穴，就會全部積累在 PN 結(jié)附近，于是出現(xiàn)了最大光生電動 勢，它的數(shù)值即為開路電壓，記作 Voc。 如果把太陽電池短路，即回路負(fù)載電阻為零，則所有 PN 結(jié)附近的電子與空穴，由結(jié)的一邊，流經(jīng)外電路到達(dá)結(jié)的另一邊，產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流記作 ISC。 太陽能電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄 PN 結(jié)的大面積的等效二極管，因此可以假設(shè)太陽能電池為一個二極管與太陽光電流發(fā)生源所并聯(lián)的等效電路，如圖 32所示。 圖 32 太陽能電池的理想狀態(tài)等效電路 太陽能電池 板 的 計算 硅太 陽能發(fā)電板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率 WP。太陽能發(fā)電功率量值取決蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 于負(fù)載 24h 所能消 耗的電力 H(WH)，由負(fù)載額定電源與負(fù)載 24h 所消耗的電力，決定了負(fù)載 24h 消耗的容量 P(AH)，再考慮到平均每天日照時數(shù)及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流 IP(A)。 由負(fù)載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個數(shù)及蓄電池浮充電壓 VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓 VT(v)及反充二極管 PN 結(jié)的壓降 VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓 VP(V)，由太陽電池陣列工作電源 IP(A)與工作電壓 VP(V)，便可決定平板式太陽能板 發(fā)電功率 WP，從而設(shè)計出太陽能板容量，由設(shè)計出的容量 WP 與太陽能電池陣列工作電壓 VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。 太陽能電池陣列的具體設(shè)計步驟如下： 計算負(fù)載 24h 消耗容量 P。 P=H/V （３） V——負(fù)載額定電源 選定每天日照時數(shù) T(H)。 計算太陽能陣列工作電流。 IP=P(1+Q)/T （４） Q——按陰雨期富余系數(shù)， Q=～ 確定蓄電池浮充電壓 VF。 鎘鎳 (ＧＮ )和鉛酸 (ＣＳ )蓄電池的單體浮充電壓分別為 ～ 和 。 太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓 VT。 VT=(T25)VF （５） 計算太陽能電池陣列工作電壓 VP。 VP=VF+VD+VT （６） 其中 VD=～ ，約等于 VF 太陽電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽能電板。 WP=IPUP （７） 根據(jù) VP、 WP 在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。 太陽電池陣列的伏安特性如圖 5。由圖可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。太陽電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的 ：當(dāng)日射 S=l000W／㎡；太陽電池溫度T=25；大氣質(zhì)量 AM= 時，太陽電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽電池陣列額定功率的單位為 “峰瓦 ”，記以 “WP”。當(dāng)日射 S1000W／㎡時。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 33 太陽電池陣列的伏安特性曲線 溫度和日照強(qiáng)度的變化對太陽電池的伏安特性都有影響，在僅改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其它條件 (如太陽電池溫度和大氣質(zhì)量等 )不變的情況下。計算出每天消耗的瓦時數(shù) (包括逆變器的損耗 )： 逆變器的轉(zhuǎn)換效率為 90％，則當(dāng)輸出功率為 100W 時，則實際需要輸出功率應(yīng)為 100W/90％ =111W；若按每天使用 8 小時，則耗電量為 111W*8 小時 =888Wh。按每日有效日照時間為 6 小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應(yīng)為 888Wh/6h/70%=210W。其中 70％是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 4 蓄電池 充電控制器的 設(shè)計 在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計的常見思路，本論文從硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面入手，運(yùn)用模塊化的設(shè)計方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計。 硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機(jī)最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、 LCD 顯示電路、 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲電路、串口通信電路等。下面先從系統(tǒng)層次原理圖入手，對系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對具體電路地進(jìn)行一一介紹。 系統(tǒng)層次原理圖 系統(tǒng)層次原理圖 如圖 41 所示，電路設(shè)計以 STC89C52 單片機(jī) 作為主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對整個電路控制。首先采用并聯(lián)分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到 AD 模塊中的 A/D 轉(zhuǎn)換 器進(jìn)行轉(zhuǎn)換 得到一個數(shù)字信號的電壓值，再將 此信號 送入到 控制模塊中 單片機(jī)進(jìn)行處理 ；然后在軟件程序控制下， 單片機(jī)輸出 控制信號送到充放電模塊中，經(jīng)光耦 驅(qū)動 電路 來 控制 MOSFET?？刂?MOSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，根據(jù) 載荷 變化來調(diào)制 MOSFET 管柵的偏置，達(dá)到實現(xiàn)開關(guān)功能。 VCCGNDPWMFUZAI充放電模塊充放電電路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和顯示模塊STC 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模塊AD 轉(zhuǎn)換 .SchDocVCCGNDSCKSDA數(shù)據(jù)保存模塊E2PROM 存儲電路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口調(diào)試模塊RS232 串口通信 .SchDoc 圖 41 系統(tǒng)原理圖 最后通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。串口通信模塊采用 MAX232 芯片進(jìn)行TTL 電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來，供工作人員查看。數(shù)據(jù)存儲電路模塊，使得當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時，讓蜂鳴器報警，同時把異常電壓值通過 I2C 總線存放在 E2PROM 中，作為以后分析使用。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52 的簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 存儲器技術(shù)制造 ， 與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 。 在芯片 內(nèi)部 ，擁有 很高頻率 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案 。 。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時 器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， STC89C52 具有低功耗設(shè)計， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 而且 STC89C52 的工作頻率很寬，可以在 0~35MHz之間選擇，芯片具有超強(qiáng)抗干擾性，加密性強(qiáng)。 單片機(jī)的 最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路 單片機(jī)是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個電路得到很好的控制，首先必須構(gòu)建最小系統(tǒng)是單片機(jī)可以工作起來。本設(shè)計 單片機(jī) 最小系統(tǒng)擴(kuò)展 電路包括上電復(fù)位電路， 時鐘電路 ， 工作 指示燈 和蜂鳴器報警電路等。 （ 1）時鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入 端 和輸出端分別是引腳 XTAL1 和 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 上外接時鐘源即可構(gòu)成時鐘電路，CPU 的所有操作均在時鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在 ~12MHz 之間選取。 時鐘電路如 圖 42 所示。 電路中 C C7 是反饋電容，其值在 5pF~30pF 之間選取 ， 本電路選用的電容為 30pF，晶振頻率為 。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 42 時鐘電路 圖 43 復(fù)位電路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 （ 2）復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。 單片機(jī)的復(fù)位電路如圖 43 所示。本系統(tǒng)采用的是上電 +電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是 通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鈕復(fù)位是當(dāng)按鈕按下后，電源通過電阻R14 施加到復(fù)位端上，實現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。 復(fù)位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視 RST 引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出 (瞬時的 )，還可以通過改變復(fù)位電路 電阻和電 容值進(jìn)行實驗。 （ 3）工作狀態(tài)指示燈電路 本設(shè)計可以時刻檢測蓄電池電壓，為了更好的進(jìn)行監(jiān)控，要對整個電路的工作狀態(tài)進(jìn)行指示，這是很有必要的。工作狀態(tài)指示燈電路如圖 44 所示。其中 LED1 為正 常充電指示燈， LED2 為過壓指示燈， L