【正文】 式標明。 學科分類號 本科生畢業(yè)論文 (設計 ) 題目（中文） ： 太陽能最大功率跟蹤控制器的設計與實現(xiàn) （英文）： Design and Implementation of the Maximum Power Point Tracking Controller 學生姓名： 學 號： 系 別： 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 指導教師： 起止日期 ： 本科畢業(yè)論文 (設計 )誠信聲明 作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文 (設計 )，是在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的成果。本聲明的法律結果由作者承擔。 附錄 B 系統(tǒng)實物圖 .................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 針對發(fā)電效率低這一問題， 本文 介紹一種 利用 微 型 控制 器 51單片機 設計 的 一個太陽能最大功率跟蹤控制器。本設計能夠實現(xiàn)提升 20%左右的發(fā)電效率，并且能夠實時顯示太陽能電池板的輸出情況 ，使用非常方便。 太陽能的利用在國內來說，其應用領域正在不斷向大眾化邁進。現(xiàn)在的農業(yè)也在朝自動化、無公害等方向發(fā)展，太陽能這一新興能源在農業(yè)方面也得到了應用，比如說太陽能誘蟲燈。但是利用充足的太陽能來供電，就可大大節(jié)約用電成本，使用更加方便。硅光電池的生產工序復雜，所以生產成本很高，以至于太陽能電池板的售價偏高，市場價大概在 5元 /W。 針對以上的問題，國內外業(yè)界內有不少人士根據(jù)太陽能電池板的轉換特性做過不少的研究，總結出來了幾種實現(xiàn)提高電池板轉換效率的方法：恒壓法、擾動觀察法、 電導增量法 ，這三種方法各有優(yōu)缺點，需根據(jù)需要來確定 [1]。本次設計綜合考慮各種因素，選取了擾動觀察法來實現(xiàn)提升太陽能電池板的轉換效率。除了這種成品控制器 以 外，各大半導體生產廠商也有屬于自己的 MPPT控制器 IC。 NXP（恩智浦）半導體推出的MPT612 是一款基于低功耗的 ARM7TDMIS 32 位 RISC 處理器的MPPT 集成電路，支持包括 I2C、 UART、 SPI 和 SSP 在內的多種串行接口，其采用的是正在申請專利的 MPPT 算法，也帶有 8 通道的10位 A/D轉換器，能夠將轉換效率提升到 98%[3]。 結合 太陽能電池板的輸出特性與 MPPT 控制算法來實現(xiàn)本次 設計 。使用 PWM波控制 場效應 MOSFET管 IRFZ48N的 導通與關閉時間比來調節(jié)太陽能電池板的輸出電壓 [5]。 由于3 這款單片機內部沒有集成 A/D轉 換模塊，所以外部擴展 A/D轉換器TLC2543[6]。 本 設計 的轉換效率只能提升 20%左右，總體來說還是可以實現(xiàn) MPPT 的這種轉換思想，但是也還存在著不足的地方。還要思考一個問題：在節(jié)約成本以及降低 設計 復雜度的前提下，還存不存在更好的方案？要去改變大環(huán)境的溫度，這對于現(xiàn)階段人類科技程度來說不怎么可能實現(xiàn)，所 以為 了再次提升太陽能電池板的轉換效率，只能往 提高電池板接受 光照強度 的 方向 尋找突破口 ?，F(xiàn)在太陽能電池板的安裝是固定的，也就是 其在 一天當中所接收的光強并不是最強的，因為太陽一直在移動。 讓太陽能電池板跟隨太陽移動（ 在原地 進行旋轉 ），讓其一直處 于最強光強接收狀態(tài)，這樣也可以大大提升太陽能的利用率。不過有好的想法是非常值得贊揚的，可以當作個人愛好去將它實現(xiàn)，科技就是在不斷創(chuàng)新中發(fā)展的，人類進步也離不開創(chuàng)新思維，我們應當好好利用自己所學的知識，努力創(chuàng)新，大膽創(chuàng)新！ 4 2 任務分析與方案論證 本 次 設計的 題目 就是太陽能最大功率點跟蹤 控制器。 任務要求及分析 設計并制作一個 MPPT 控制器，實現(xiàn)的指標如下： （ 1） 、 采用 脈寬調制波 控制，尋找最大功率點； （ 2） 、 相同環(huán)境條件下實 現(xiàn)負載效率提升 40%以上； （ 3） 、顯示實時輸出情況，包括電壓、電流以及功率 。 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)方案的論證及選取關鍵應當建立在太陽能電池板 輸出 特性的 基礎上 。 路徑也許不止一條，找到最便捷的路徑才 是 設計的 最終 目標。也可以選取 DSP或 者 ARM等高速 MCU，但是由于這些芯片價格昂貴，自己在這些方面的知識欠缺，故不選取。 試驗太陽能電池板的 標示功率為 50W。 如 圖 了 太陽能電池板輸出功率與輸出電壓的關系，體現(xiàn) 出 了最大功率點。 I（A）U （V ）252020105P（W）1020304050UIPUIscImpVocVmpS=10 00W/m2 圖 太陽 能電池板特性曲線 方案論證 方案 一 ：恒壓法。這一固定電壓值可以從太陽能電池板生產廠商處獲得，從而在設計的時候就可將輸出電壓設定在這個固定電壓處。這種方法其實質是引入一個小的變化，然后進行觀察，并與前一個狀態(tài)進行比較，進而 進行 調節(jié)。根據(jù)比較的結果調節(jié)太陽能電池 板 的工作點，這里引入一個參考電壓 VREF，當進行比較后，調節(jié)參考電壓使之逐漸接近最大功率點的電壓。 方案三：電導增量法。根據(jù) 式 21，因此在最大功率點處有： dPdU =I + U * dIdU = 0 (式 22) 即 dIdV = IV （ 式 23） 式 23就是達到最大功率點的條件，如果 dIdV IV （ 式 24） 則光伏電池的工作點在最大功率的右邊，此時應減小輸出電壓；如果 dIdV IV （ 式 25） 則光伏電池的 工作點在最大功率的左邊，此時應增大輸出電壓。 方案比較和選取 前面列出了目前的幾種最大功率跟蹤的方法，對它們進行了理論介紹。 8 表 幾種方案系統(tǒng)比較 結合實際情況需要以及各種方案的優(yōu)缺點，本次 設計選取擾動觀察法來實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點跟蹤。 3 系統(tǒng)設計 D C D C 變 換P W M濾 波濾 波 負 載M C U顯 示M O S F E T 開 關電 路采 樣P V 光 伏 陣 列 圖 系統(tǒng)結構框圖 通過之前的方案討論與分析，最終選 取 了 擾動觀察法來實現(xiàn)設計。 圖 統(tǒng)的整體框圖。 由式 21，要想得到功率，就需要知道電壓與電流。 轉換 模塊電路設計 轉換電路是用于太陽能電池板和負載之間，通過控制電壓，將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏斎搿? +C14 7 0 u f /5 0 V+C24 7 u f /5 0 VL11 0 m H / 5 0 WR1270KR230KQ1IRFZ 4 8 NR310K PWM輸入A/D電壓輸出電流檢測PV板輸入端+ +MPPT輸出（負載）I np utI1G2O3U1 7805C3104C4104I np ut O ut pu t5 v 圖 轉換部分硬件原理圖 太陽能電池板的參數(shù)在前面已經給出，硬件電路圖各元器件參數(shù)的選擇就是根據(jù) 太陽能 電池板的參數(shù)來決定的。電感 L1用于濾除電壓信號的交10 流分量，降低來自 PWM控制信號的干擾、提高 A/D 采樣結果的準確度、穩(wěn)定輸出。由于太陽能電池板的輸出電壓最大能夠達到 22V，所以用兩 電阻 R1=270kΩ 、 R2=30kΩ 進行分壓，測 R2兩端的電壓，由于 10 倍關系，從而可以得到太陽能電池板的輸出電壓。電流檢測與電壓采樣的處理都由軟件實現(xiàn)。在此接在電壓的低側作為開關用，使用 PWM 控制通斷從而控制輸出電壓值。 由于控制部分電路的供電電壓為 +5V，為了方便起見，采用三端集成穩(wěn)壓片 LM7805 將太陽能