【正文】 8MW，太陽(yáng)能電池/組件的實(shí)際生產(chǎn)量達(dá)到13MW。2004年，我國(guó)在深圳建成了亞洲最大并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站，電站總?cè)萘窟_(dá)1兆瓦，年發(fā)電能力約為100萬(wàn)千瓦時(shí)；2008 年北京奧運(yùn)會(huì)，國(guó)家計(jì)劃太陽(yáng)能光伏發(fā)電融入奧運(yùn)建筑中，各奧運(yùn)建筑將大范圍采用太陽(yáng)能等綠色能源利用技術(shù)，綠色能源的應(yīng)用正是綠色奧運(yùn)的具體體現(xiàn)；2005年2月28日第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十四次會(huì)議通過(guò)的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》4自2006年1月1日起正式施行，國(guó)家鼓勵(lì)可再生能源利用[5,6]。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。因此，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上仍面臨著非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。世界光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一直保持著加速發(fā)展的勢(shì)頭。2010年11月23日，國(guó)際咨詢(xún)公司Frostamp。同時(shí)，國(guó)內(nèi)數(shù)家券商發(fā)布研究報(bào)告認(rèn)為，2010年下半年起光伏產(chǎn)業(yè)從上游多晶硅到下游組件普遍進(jìn)入大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)周期，將帶來(lái)對(duì)各種上游設(shè)備、中間材料需求的提升，其中包括晶硅生產(chǎn)中所需的鑄錠爐以及晶硅切割過(guò)程中的耗材，刃料和切割液等。通過(guò)“九五”期間的努力，以及各種各樣國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作項(xiàng)目的示范和推動(dòng)，使偏僻邊遠(yuǎn)地區(qū)供電的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域得到了進(jìn)一步擴(kuò)大?！熬盼濉逼陂g建成各種規(guī)模的縣、鄉(xiāng)、村級(jí)光伏電站400余座，裝機(jī)總?cè)萘?00kW左右，推廣應(yīng)用家用光伏電源系統(tǒng)約15萬(wàn)套，并在約80所農(nóng)村學(xué)校建立了總功率100kW左右的光伏發(fā)電系統(tǒng)。再通過(guò)充電器控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能貯存起來(lái)。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜等設(shè)備組成，其各部分設(shè)備的作用如下。在光生伏打效應(yīng)的作用下，太陽(yáng)能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換為電能，是能量轉(zhuǎn)換的條件。（2） 蓄電池組 其作用是貯存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。 目前我國(guó)與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池是鉛酸蓄電池和鉻鎳蓄電池等。h以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定或工業(yè)密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池，每個(gè)蓄電池的額定電壓為2V（DC）；配套200A（3） 充放電控制器 是能自動(dòng)防止蓄電池過(guò)沖和過(guò)放電的設(shè)備。（4） 逆變器 是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。逆變器按運(yùn)行方式，可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)。方形逆變器電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對(duì)諧波要求不高的系統(tǒng)。逆變器保護(hù)功能：過(guò)載保護(hù)；短路保護(hù)；接反保護(hù)；欠壓保護(hù)；過(guò)壓保護(hù)；過(guò)熱保護(hù)。 本章小結(jié)本章主要介紹太陽(yáng)能充電器電路設(shè)計(jì)的課題背景能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用，以及我國(guó)太陽(yáng)能的資源狀況。第二章 太陽(yáng)能電池和單片機(jī) 太陽(yáng)能電池 太陽(yáng)能電池原理、分類(lèi)和保護(hù)（1）太陽(yáng)能電池原理太陽(yáng)能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對(duì)。薄片的另一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。對(duì)于半導(dǎo)體 、PN 結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)大面積二極管，其基本特性也與二極管類(lèi)似。半導(dǎo)體內(nèi)在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在PN結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過(guò)。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可付諸實(shí)用的電能。 （2）太陽(yáng)能電池的種類(lèi)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能的。它的尺寸約4平方厘米到100平方厘米。將姍能電池單體進(jìn)行串聯(lián)，并聯(lián)和封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件。太陽(yáng)能電池再經(jīng)過(guò)串聯(lián)，并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣。常用的太陽(yáng)能電池主要是硅太陽(yáng)能電池。單晶硅太陽(yáng)電池是當(dāng)前開(kāi)發(fā)最快的一種太陽(yáng)電池，它的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽(yáng)電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。目前多晶硅太陽(yáng)電池使用的多晶硅材料，多半是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成，然后注入石墨鑄模中，待慢慢凝固冷卻后，即得多晶硅錠。多晶硅太陽(yáng)電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)電池，但其材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。這種保護(hù)分為兩類(lèi)機(jī)械化學(xué)方面的保護(hù)和電方面的保護(hù)。在一定的條件下，一個(gè)串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)能電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其它有光照的太陽(yáng)能電池組件所產(chǎn)生的能量。為了防止太陽(yáng)能電池組件由于熱斑效應(yīng)而受到破壞，需要在太陽(yáng)能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。防反充二極管串聯(lián)在太陽(yáng)能板中起單向?qū)щ娮饔谩?圖 21 太陽(yáng)能電池等效電路 圖中，太陽(yáng)能電池等效電路由4個(gè)部分組成：電池的光電流Isc，PN 結(jié)的非線性電阻Rj，串聯(lián)電阻RS，和旁漏電阻Rsh，R是電池外的負(fù)載電阻。Rsh為旁漏電阻，由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起。由于RS，Rsh分別串聯(lián)與并聯(lián)在電路中，進(jìn)行理想計(jì)算時(shí)，可以忽略不計(jì)。光伏電池的兩端接入負(fù)載R后，光生電流流過(guò)負(fù)載，從而在負(fù)載的兩端建立起端電壓V。 電池的光電流Isc是當(dāng)RL=0?時(shí)，所測(cè)的電池兩端的短路電流。面積越大，Isc值越大。一般來(lái)說(shuō)，短路電流Isc值隨照射到硅太陽(yáng)能板上的光強(qiáng)的增加而成正比例的增加。 當(dāng)RL趨于無(wú)窮大時(shí)，測(cè)得的太陽(yáng)能電池兩端的電壓為電池的開(kāi)路電壓VOC。 太陽(yáng)能電池板的輸出特性 受到光照、電池陣列結(jié)溫及負(fù)載的影響，太陽(yáng)能電池輸出電壓和電流也隨之發(fā)生改變[11]。 圖 22 太陽(yáng)能電池的IV特性關(guān)系曲線 曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱橫坐標(biāo)，即為工作電流和工作電壓。由此可繪出PV特性曲線如圖23，在PV特性曲線上最大功率點(diǎn)即電壓和電流的最佳匯合點(diǎn)Pm。但是要求出其解析解，幾乎不可能。 圖 23 太陽(yáng)能電池的PV特性曲線 從圖23可見(jiàn)，Im和Vm的乘積就是最佳工作點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)所確定的矩形面積，在曲線范圍內(nèi)這個(gè)面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。對(duì)實(shí)際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來(lái)表征光電池的這一特性。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉(zhuǎn)換效率也越高。從圖24可知，太陽(yáng)能電池陣列的輸出短路電流(Isc)和最大功率點(diǎn)電流(Im)隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大，也就是說(shuō)Isc 強(qiáng)烈地控制著I的大小。 圖 24 不同日照下的IV關(guān)系曲線圖 圖 25 不同日照下PV曲線圖 圖 26，圖 27 分別給出了太陽(yáng)能電池陣列在日照射為1000W/m2，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的IV和PV特性。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯，見(jiàn)圖27各實(shí)線的波峰的幅值變化。 單片機(jī)介紹 單機(jī)片是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十K的尺寸！對(duì)于家用PC的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么，可是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不能接受的。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來(lái)運(yùn)行，家用PC的也是承受不了的。（1）主流單片機(jī)包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；（3）單片機(jī)可靠性高，可工作到10^6 10^7小時(shí)無(wú)故障；（4）處理功能強(qiáng)，速度快；（5）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；（6）控制功能強(qiáng)；（7）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 Logical Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU能完成對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結(jié)果存入累加器。運(yùn)算器有兩個(gè)功能：1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算；2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的比較；3) 運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。其主要功能有：1) 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置；2) 對(duì)指令進(jìn)行譯碼和測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便于執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作；3) 指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。外部總線又稱(chēng)為系統(tǒng)總線，分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CB。（3）主要寄存器　　1) 累加器A；2) 累加器A是微處理器中使用最頻繁的寄存器。它可以保存一條正在譯碼的指令，也可以保存正在送往存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)等等；7) 指令寄存器IR和指令譯碼器ID；8) 指令包括操作碼和操作數(shù)。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存中取到數(shù)據(jù)寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。其中，指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入；9) 程序計(jì)數(shù)器PC；10) PC用于確定下一條指令的地址，以保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，因此通常又被稱(chēng)為指令地址計(jì)數(shù)器。由于內(nèi)存與CPU之間存在著速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來(lái)保持地址信息，直到內(nèi)存讀/寫(xiě)操作完成為止。同樣，如果把外圍設(shè)備的地址作為內(nèi)存地址單元來(lái)看的話(huà)，那么當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時(shí)，也需要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。了解了太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池，多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。第三章 方案選擇及單元電路的設(shè)計(jì) 方案選擇及方框圖 方案選擇由單片機(jī)根據(jù)采集到的控制器的充放電電壓電流參數(shù)，發(fā)出各種控制信號(hào)。更好的保護(hù)了鋰電池。 方框圖太陽(yáng)能充放電控制器的電路框圖31所示。太陽(yáng)能電池板STC12c5408ADDC/DC變換顯示電路鋰蓄電池電壓檢測(cè)按鍵圖31太陽(yáng)能充放電控制器的電路框圖 太陽(yáng)能充電器電路原理、電池組件概述和分類(lèi)（1）太陽(yáng)能電池材料分類(lèi)為了有效利用太陽(yáng)能，首先必須找到制作太陽(yáng)能電池的材料。制作太陽(yáng)能電池的材料主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為硅系太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池、有機(jī)混合太陽(yáng)能電池五大類(lèi)。（2）太陽(yáng)能電池組件的概述具有封裝及內(nèi)部連接的、能單獨(dú)提供直流輸出的、不可分割的最小太陽(yáng)能電池組合裝置，叫做太陽(yáng)能電池組件或叫做太陽(yáng)能電池板。而單體太陽(yáng)能電池（太陽(yáng)能電池組件）又是由許多一片一片的硅晶體片通過(guò)一定的安裝結(jié)構(gòu)形式組合的。于是人們將很多電池片（通常是36個(gè)）串聯(lián)起來(lái)，形成了太陽(yáng)能光電板，又稱(chēng)單個(gè)太陽(yáng)能組件使用。之所以通過(guò)專(zhuān)用材料和專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工藝對(duì)電池片進(jìn)行封裝后形成組件才能用，是因?yàn)閱蝹€(gè)太陽(yáng)能電池片?。ê穸戎挥?00微米左右）。硅太陽(yáng)能電池片若直接暴露在大氣中，易受到大氣尤其是潮濕空氣的腐蝕；灰塵、冰雹、風(fēng)沙等也都會(huì)落在電池的表面，導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換率下降，電池的電極也會(huì)氧化、銹蝕脫落甚至?xí)?dǎo)致電池失效。 STC12C5408AD單片機(jī) STC12C5410系列單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)，全新的流水線/精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路?？梢哉f(shuō)STC12C5410AD單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC），可以很容易地構(gòu)成典型的測(cè)控系統(tǒng)。STC12系列單片機(jī)的典型結(jié)構(gòu)STC 12系列單片機(jī)是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash單片機(jī)，它的16級(jí)中斷、高效尋址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D轉(zhuǎn)換、硬件乘法器、硬件脈寬調(diào)制器(PWM)等功能特點(diǎn)，較好的實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能與超低功耗的結(jié)合，因此具有很好的性?xún)r(jià)比和應(yīng)用適應(yīng)性。它們區(qū)別在于Flash的容量大小，本設(shè)計(jì)所用到的STC12C5412AD的Flash容量為10K。圖32 STC12C5408DA管腳STC12C5408DA管腳說(shuō)明如圖33所示。Flash存儲(chǔ)器主要用作程序存儲(chǔ)，可經(jīng)計(jì)算機(jī)串口接口下載程序。Flash可用于程序數(shù)據(jù)保存，實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器可以按字或字節(jié)讀寫(xiě)，最小擦除單位為1段，經(jīng)過(guò)擦除的位為“1，寫(xiě)入位為“0”。輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器{EPCnL,CCAPnL}有關(guān)。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，{EPCnH, CCAPnH}的內(nèi)容裝載到{EPCnL,CCAPnL}中。要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位。4種類(lèi)型分別為:準(zhǔn)雙向口(標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開(kāi)漏輸出功能。這是因?yàn)楫?dāng)口線輸出為1時(shí)驅(qū)動(dòng)能力很弱，允許外部裝置將其拉低。準(zhǔn)雙向口有3個(gè)上拉晶體管適應(yīng)不同的需要。此上拉提供基本驅(qū)動(dòng)電流使準(zhǔn)雙向口輸出為1。第2個(gè)上拉晶體管，稱(chēng)為“極弱上拉”，當(dāng)口線鎖存為1時(shí)打開(kāi)。第3個(gè)上拉晶體管稱(chēng)為“強(qiáng)上拉”。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，強(qiáng)上拉打開(kāi)約2個(gè)機(jī)器周期以使引腳能夠迅速地上拉到高電平。推挽模式一般用于需要更大驅(qū)動(dòng)電流的情況。4）開(kāi)漏輸出配置當(dāng)口線鎖存器為0時(shí)，開(kāi)漏輸出關(guān)閉所有上拉晶體管。這種方式的下拉與準(zhǔn)雙向口相同。（4）AD模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器STC12C5412AD單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口()，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，STC12C5410AD系列是