【正文】 ................................................. 4 最大功率點(diǎn)跟蹤的算法 ............................................... 5 恒壓跟蹤法 ................................................... 5 擾動(dòng)觀察法 ................................................... 6 電導(dǎo)增量法 ................................................... 6 DC/DC 變換器 ....................................................... 7 降壓式變換器 ................................................. 8 升壓式變換器 ................................................. 8 升降壓式變換器 ............................................... 9 庫(kù)克式變換器 ................................................ 10 第三章 主要設(shè)備的選擇 .................................................... 12 太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì) .................................................. 12 太陽(yáng)能電池原理 .............................................. 12 太陽(yáng)能電池分類 .............................................. 12 太陽(yáng)能電池的容量的計(jì)算 ....................................... 1 蓄電池的選擇 ....................................................... 3 蓄電池的選用 ................................................. 4 蓄電池組容量的計(jì)算 ........................................... 4 燈具的選擇 ......................................................... 5 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ....................................................... 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖 ................................................... 1 控制模塊的電路設(shè)計(jì) ................................................. 1 電源電路的設(shè)計(jì) ............................................... 1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì) ................................. 1 DCDC 控制電路設(shè)計(jì) (充電電路 ) ................................. 1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ............................................... 2 切換電路設(shè)計(jì) ................................................. 3 采樣電路設(shè)計(jì) ................................................. 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ................................................. 4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ........................................... 5 5結(jié)論 .................................................................... 6 參考文獻(xiàn) ................................................................. 10 第一章 緒論 光伏發(fā)電的背景及意義 全球煤炭、石油、天然氣等能源的消耗不斷增加，引發(fā)了一系列的環(huán)境污染和資源短缺等問(wèn)題。并對(duì) 太陽(yáng)能發(fā)電 系統(tǒng)中 ， 太陽(yáng)能電池在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，輸出功率不同的問(wèn)題，為了提高發(fā)電系統(tǒng)效率，單片機(jī)通過(guò)采樣電壓和電流，通過(guò)對(duì)功率的計(jì)算，實(shí)現(xiàn) 對(duì)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤，確保充分的利用太陽(yáng)能。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī) AT89S51 作為系統(tǒng)的主控制單元，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制電路的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)采用 LED 燈具作為系統(tǒng)的照明光源，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電與市電交互為 LED 燈具供電的方式提供供電電源。然而 地下停車場(chǎng)的照明又給社會(huì)增添了新的煩惱。 隨著城市的不斷發(fā)展，人口的急劇增加，人均擁有車輛數(shù)的增大，停車問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)峻。開(kāi)發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是人類必須采取的措施。 基于 AT89S51 單片機(jī)控制的太陽(yáng)能 供電地下場(chǎng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代， 能源是人類經(jīng)濟(jì)及文化活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和社會(huì)生活水平的提高，未來(lái)世界能源消費(fèi)量將持續(xù)增長(zhǎng)，世界上的化石能源消費(fèi)總量總有一天將達(dá)到極限。從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽(yáng)能無(wú)疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想的綠色能源。停車場(chǎng)也逐漸的朝地下空間發(fā)展。為此，提供一個(gè)合理的地下照明系統(tǒng)是時(shí)代發(fā)展的迫切要求。使用節(jié)能燈具減少了能源的浪費(fèi)，利用太陽(yáng)能發(fā)電供電，減少了火力發(fā)電等造成的大氣污染的問(wèn)題。并且通過(guò)采集太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池及太陽(yáng)能電池板兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)火電與太陽(yáng)能發(fā)電兩種供電方式的自動(dòng)切換。 本系統(tǒng)智能化的完成了以太陽(yáng)能發(fā)電、 LED 為燈具的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。在這個(gè)世紀(jì)以前，我們能夠使用能源都局限在一次能源上，如煤、 CH4 和石油。但是人類已經(jīng)在這個(gè)星球上生活在了數(shù)千年，在這數(shù)千年里，這些能源無(wú)時(shí)無(wú)刻不在被人類消耗著，而且留給我 們及后代所要使用能源已經(jīng)不多了。 當(dāng)前，森林被大面積砍伐，礦物能源被大量使用，全球日均產(chǎn)生近 1 109TCO2，造成大氣二氧化碳的含量上升，大氣已經(jīng)被嚴(yán)重的污染。 面對(duì)以上情況，如何讓可持續(xù)發(fā)展 成為現(xiàn)實(shí)，探索開(kāi)發(fā)能夠再利用的能源以及其他綠色新能源便成為了人類亟待解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能即將成為新世紀(jì)極為重要的能源之一，已經(jīng)得到世界能源專家們肯定。而且，硅作為光伏電池的主要原料存儲(chǔ)量極為豐富，并且伴著太陽(yáng)電池研究技術(shù)的不斷發(fā)展以及轉(zhuǎn)換效率的持續(xù)改善和與它關(guān)聯(lián)系統(tǒng)科技技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)業(yè)成本費(fèi)用己經(jīng)呈現(xiàn)急劇走低的勢(shì)頭。 所以，利用光伏發(fā)電是兼開(kāi)發(fā)利用可再生新能源、生態(tài)環(huán)境不斷改善、人民生活條件不斷提高綜合性的面向新世紀(jì)人類進(jìn)步的重要課題；也是兼電學(xué)技術(shù)支持多方面學(xué)科以及自動(dòng)控制理論等先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合性研究課題。 1980 年后，即便處于全球經(jīng)濟(jì)衰退和低潮的時(shí)候，光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)也始終保持著以百分之十到百分之十五的逐步增加發(fā)展速度。 1997 年全球光伏電池組件的生產(chǎn)總量達(dá)到了 2 108W，比 1996 年提高了百分之三十五。 近幾年，全球光伏電池的生產(chǎn)量以平均每年近百分之四十的速度增長(zhǎng)， 2021 年全世界總產(chǎn)量便達(dá)到了 1 109W。 21 世紀(jì)以來(lái)，一部分發(fā)達(dá)國(guó)家相繼制定了發(fā)展涉及太陽(yáng)能電池的能夠反復(fù)使用的能 源方案。美國(guó)和日本為奪取世界光伏發(fā)電市場(chǎng)的首要地位，紛紛制定實(shí)施了太陽(yáng)能技術(shù)的研發(fā) 計(jì)劃，比如，到 2021 年，美國(guó)計(jì)劃將會(huì)總安裝 109 W (其中包括了百萬(wàn)屋頂計(jì)劃 )；日本計(jì)劃將會(huì)總安裝 5 109 瓦 (日本新陽(yáng)光計(jì)劃 )、德國(guó)計(jì)劃累計(jì)安裝 ，歐盟計(jì)劃累計(jì)安裝3GW，澳大利亞計(jì)劃累計(jì)安裝 ，中國(guó)、印度等發(fā)展中國(guó)家計(jì)劃安裝 ~2GW[1]。由此可以斷言，光伏發(fā)電具有廣闊的市場(chǎng)和很好的發(fā)展前景。我國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了兩次跳躍，首次是在 20 世紀(jì) 80年代后期，我國(guó)正處于改革開(kāi)放蓬勃發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)相繼引入了多條光伏電池生產(chǎn)線，我國(guó)的光伏電池生產(chǎn)能力由起初的 3個(gè)小工廠生產(chǎn)的幾百 KW 提高到 6 個(gè)工廠生產(chǎn)的 106W，中央政府、地方政府、國(guó)家工業(yè)部委和國(guó)家大型企業(yè)在引進(jìn)的太陽(yáng)電池生產(chǎn)設(shè)備以及生產(chǎn)線的投資中占了主導(dǎo)地位。 2021 年以前，我國(guó)還存在約三萬(wàn)個(gè)村莊，七百萬(wàn)多戶，三千萬(wàn)村民還不能用上電， 百分之六十的使用電能的縣還存在嚴(yán)重缺電的問(wèn)題，由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)潛力巨大。預(yù)計(jì)在 2021 后的十幾年中，太陽(yáng)能光伏電池的市場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生巨大的變革， 2021 年前中國(guó)太陽(yáng)電池基本上是應(yīng)用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。 第二章 MPPT 控制部分與 DC/DC 變換 光伏陣列輸出是非線性的，而且它的輸出在不同的光照強(qiáng)度下、環(huán)境溫度下和負(fù)載情況變化時(shí)變化。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度和大氣的透光率都是動(dòng)態(tài)變化的，這就給建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)了困難。最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)即指實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出功率，讓它一直在最大功率點(diǎn)附近工作的過(guò)程。目前，通常采用 DC/DC 變換實(shí)現(xiàn)， DC/DC 變換的形式主要有升壓式（ Boost）、降壓式（ BUCK）、升降壓式 (BUCKBoost)、庫(kù)克式（ CUK）四種。 最大功率點(diǎn)跟蹤原理 光伏電池的等效簡(jiǎn)化的線性電路如圖 21 所示， R0上的功率可表示為： 000 RRR UP i ??????? ?? RiRo 圖 21 光伏電池簡(jiǎn)化電路圖 由于 U、 iR 均是常數(shù) ,因此對(duì)上式兩邊 0R 求導(dǎo)，便可以得到： 30 0200 )( )( RR RRUdRdPii? ?? 只有當(dāng)式（ 22）中的 0R = iR 時(shí)， 0P 才會(huì)取得最大值。盡管 DC/DC變換電路以及光伏電池都是非線性的，然而在短時(shí)間里，可以把它們看作是線性的。由上所述可知，采取調(diào)節(jié) DC/DC 變換電路的等效電阻，便可以一直使光伏電池的內(nèi)阻和轉(zhuǎn)化電路的等效電阻保持一致，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，也就是光伏電池的 MPPT。 圖 22 最大功率跟蹤示意圖 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的示意圖如上圖 22 所示。 由圖可知，光伏電池最大功率跟蹤原理為：光伏電池工作于 M點(diǎn)時(shí)，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點(diǎn)處小很多。因?yàn)?N點(diǎn)與光伏電池的最大功率點(diǎn)處于同一點(diǎn)上，所以此時(shí)光伏電池獲得最大功率。 恒壓跟蹤法 處于不同光照強(qiáng)度下的光伏電池功率 電壓特性曲線如圖 23。于是我們可以認(rèn)為，恒壓跟蹤法就是把某個(gè)特定輸出電壓的垂直線近似看成最大功率線，讓光伏電池輸出一個(gè)特定的電壓，便可以找到最大功率點(diǎn)。 圖 23 不同光照強(qiáng)度下光伏電池 功率 電壓 特性曲線 此方法具有容 易實(shí)現(xiàn)、控制方便、可靠性以及穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)；但是該方法沒(méi)有考慮溫度對(duì)太陽(yáng)能電池?cái)嗦冯妷旱挠绊?，因此控制精度差?，F(xiàn)在已研究出部分改善的恒壓跟蹤算法，可以通過(guò)改變電位器的值輸出不同電壓值，通過(guò)溫度查表改變電壓等等。 擾動(dòng)觀察法 擾動(dòng)觀察法原理圖如圖 24，首先獲取當(dāng)前陣列輸出功率 P1，當(dāng)在原輸出電壓的基礎(chǔ)上增加或減少很小電壓分 量△ u 時(shí)，輸出功率可能發(fā)生改變，測(cè)量電壓改變后的輸出功率 P2，然后計(jì)算出 P2－ P1，得出功率差△ P。 這種方法的優(yōu)勢(shì)在于原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；不足之處是當(dāng)光照強(qiáng)度改變很快時(shí)，容易造成誤判，導(dǎo)致工作點(diǎn)更加遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn) ，控制無(wú)效。根據(jù)光伏電池的功率 電壓特性曲線可知在最大功率點(diǎn)處存在： 0?dUdP 又通過(guò)公式 UIP? 得： 0??? dUdIUIdUdP 從而可得： UIdUdI ?? 一旦上式存在，光伏電池的輸出就會(huì)處于最大功率點(diǎn)。 DC/DC 變換器 DC/DC 變換器，又稱直流斬波器，它的工作方式是根據(jù)改變占空比來(lái)控制輸出 DC電壓的均值。在配置 合適的 LC 濾波器把方波脈沖轉(zhuǎn)換成無(wú)紋波 DC輸出，裝置中的二極管為續(xù)流二極管。正弦型是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行中，這種開(kāi)關(guān)變換器功率開(kāi)關(guān)器件中的電流（電壓）波形本質(zhì)上是正弦波。當(dāng) IGBT 開(kāi)關(guān)元件 V 導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD 工作于截止?fàn)顟B(tài)，電源 E為負(fù)載供電，與此同時(shí)電感 L 不斷的儲(chǔ)存能量，這時(shí) u0=E，電感電流 i0 按照指數(shù)曲線升高；當(dāng) V 截止時(shí)，流過(guò)電感的電流 i0 經(jīng) VD 續(xù)流， u0 約等于 0，i0 按指數(shù)曲線降低，為使 i0連續(xù)且脈動(dòng)變小，習(xí)慣方法是增大 L值。其在 PWM 中是最基本、使用最方便的一種變換結(jié)構(gòu)。不足之處在于：①輸入電流的脈動(dòng)將造成對(duì)輸入電源的電磁干擾，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常在電源與變換器之間配置一個(gè)輸入濾波電容；②穩(wěn)態(tài)電壓比一直比 1 小，因此只能降低電壓；③開(kāi)關(guān)器件發(fā)射極沒(méi)有接地，增