毕业设计论文太阳能充放电控制器设计Word下载.docx
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第1章绪论
1.1课题研究背景
1.1.1太阳能发电
太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的重视，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中之一就是将太阳能转换为电能，太阳能电池就是利用太阳能工作的。
而太阳能热电站的工作原理则是利用汇聚的太阳光，把水烧至沸腾变为水蒸气，然后用来发电。
太阳能发电有更加激动人心的计划。
一是日本提出的创世纪计划。
准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。
据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。
829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3%或全部沙漠的51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。
因此这一方案是有可能实现的。
另一是天上发电方案。
早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。
但这需要解决向地面无线输电问题。
现已提出用微波束、激光束等各种方案。
目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。
随着我国技术的发展，在2006年，中国有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一，世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，我们需要将技术推广的同时，必须采用新的技术，以便大幅度降低成本，为这一新能源的长远发展提供原动力！
1.1.2太阳能的应用领域
1、用户太阳能电源：
[1]小型电源10-100W不等，用语边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；
[2]3-5KW家庭屋顶并网发电系统；
[3]光伏水泵：
解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
2、交通领域：
如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
3、通讯/通信领域：
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；
农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
4、石油、海洋、气象领域：
石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5、家庭灯具电源：
如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。
6、光伏电站：
10KW-50MW独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等。
7、太阳能建筑：
将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。
8、其他领域包括：
[1]与汽车配套：
太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；
[2]太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；
[3]海水淡化设备供电；
[4]卫星、航天器、空间太阳能电站等。
目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的"
十万屋顶"
计划、"
百万屋顶"
计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。
1.1.3光伏发电的特点
太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；
而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式——电能，从而具有热利用不可比拟的优势。
太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。
光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电当今太阳能发电的主流。
与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势：
1、是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。
太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单；
2、利用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；
3、可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；
4、接近负载中心，减少电网的线损；
5、发电的效率不随发电规模的大小而变；
6、就地可去，无需运输。
光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。
由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。
但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。
1.1.4单片机发展前景
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroller），由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。
单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。
单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。
单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。
当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；
高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。
可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
1、低功耗CMOS化
MCS-51系列的80C51推出时的功耗达120mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2、微型单片化
常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。
3、主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的WinBond系列单片机。
以8031为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
1.2本课题研究的主要内容
1、分析太阳能电池板和蓄电池的特性。
2、根据太阳能电池输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充/放电控制方法。
3、画出电路图，并生成相应的PCB。
4、进行仿真，并编写单片机的执行程序。
第2章太阳能电池的研究和分析
2.1太阳能电池的原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。
当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。
被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子——空穴对。
这样，光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。
薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。
太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。
对于半导体P-N结，光伏效应更明显。
因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。
当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。
半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。
光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。
若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。
如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。
这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。
另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。
2.2太阳能电池的分类
目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。
全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。
从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。
目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为：
①硅太阳能电池；
②以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池；
③功能高分子材料（有机半导体）制备的太阳能电池；
④纳米晶太阳能电池等。
这里采用的是硅太阳能电池。
硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。
在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。
开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。
多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。
非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。
2.3太阳能电池的等效电路
光伏电池受光的照射便产生电流。
这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。
目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-1表示的等效电路来考虑。
图2-1理想状态的太阳能电池等效电路图
在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。
（2-1）
当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压
（2-2）
其中
为电池单元输出电流；
为PN结电流（A）；
为二极管的反向饱和电流（A）；
为外加电压（V）；
q是单位电荷（
库仑）；
K是玻耳兹曼常数（
）；
是绝对温度（
为二极管指数。
但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻
来表示。
同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻
来等效表示。
此时的等效电路可根据图2-2来描述，其伏安特性可由2-2式给出。
图2-2实际光伏电池等效电路
（2-3）
此式叫做光伏电池的超越方程式。
2.4太阳能电池板的主要参数
2.4.1光伏电池的主要参数
光伏电池的几个重要技术：
①短路电流
：
在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
②开路电压
在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
③最大功率点电流（
）：
在给定日照强度和温度下相应最大功率点的电流。
④最大功率点电压（
在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
⑤最大输出功率（
在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。
⑥填充因子
（2-4）
⑦光伏电池的转换效率：
输出功率
与阳光投射到电池表面上的功率
之比，其值取决于工作点。
通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率
，
。
以上各个参数可以在图2-3中表示如下：
图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线
图2-4太阳能电池的P-V特性曲线
图2-3中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（MPPT），即图中M点。
M点所对应的电流
为最佳工作电流，
为最佳工作电压，
为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。
原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点
，从而求出最大输出功率：
但是要求出其解析解，几乎不可能。
因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式2.3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。
图2-4可表示太阳能电池的P-V曲线。
从图2.3可见，
和
的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。
如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么
乘积就等于
的乘积。
对实际光电池，引人填充因子FF（Fillfactor）概念来表征光电池的这一特性，填充因子FF定义为式2-4。
它表示最大输出功率的值所占的以
为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。
它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。
2.4.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2-5、图2-6分别是太阳能电池阵列在温度为25℃时，不同日照（S）下表现出的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）特性。
从图2-5可知，太阳能电池阵列的输出短路电流（
）和最大功率点电流（
）随日照强度的上升而显著增大虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-6中虚线与各实线的交点所示。
图2-5不同日照下的I-V关系曲线图图2-6不同日照下的P-V曲线图
2.4.3温度对光伏电池输出特性的影响
图2-7，图2-8分别给出了太阳能电池阵列在日照射为
，和在变化温度（T）的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。
可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。
因而对最大输出功率影响明显，见图2-8中各实线的波峰的幅值变化。
图2-7不同温度下的I-V特性曲线图2-8不同温度下的P-V特性曲线
综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：
①太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；
②开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；
太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；
③输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点（MPP，MaximumPowerPoint），且随着外界环境的变化而变化。
2.5本章小结
本章内容主要介绍太阳能电池板的相关知识。
首先介绍了太阳能电池的原理，即太阳能电池板进行光电转换的原理；
其次对太阳能电池板的等效电路进行了分析；
介绍了太阳能电池的分类；
最后结合可能影响太阳能电池板内部和外部因素对其输出特性作了分析介绍。
第3章蓄电池充电技术研究
太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳能电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。
蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。
3.1蓄电池的一般特性
3.1.1主要参数指标
描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：
蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。
当然对于不同的蓄电池还有不同的参数，后面用到铅酸蓄电池时再详述。
下面介绍其中一些参数的概念及相互间的关系。
1蓄电池充放电容量
蓄电池充电容量
蓄电池充电时消耗的电量。
（3-1）
式中
为充电电流，
为充电时间。
蓄电池放电容量
完全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。
（3-2）
为放电电流，
为放电时间。
影响蓄电池放电容量的主要因素有：
a）放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。
b）电解液的温度当电解液温度在10-35℃变化时，温度每升高1℃，蓄电池容量约增加额定容量的0.008。
通常采用25℃下10小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量。
2蓄电池效率
放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的百分比。
可用安时效率
或瓦时效率
表示，它们的关系为
（3-3）
分别为蓄电池充放电时的平均电压。
3荷电状态（SOC）
己充电量与蓄电池额定容量的比值。
（3-4）
是蓄电池实际带电量，
是额定容量。
荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。
4放电深度（DOD）
蓄电池放电量与额定容量的比值。
（3-5）
5蓄电池寿命
a）浮动充电寿命：
蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。
即在一个固定的浮充电压和特定的电解液温度条件下的使用寿命。
b）循环寿命：
在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。
蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。
选择放电深度30-50%，环境温度10-25℃可充分延长蓄电池使用寿命。
3.1.2铅酸蓄电池的充放电特性
铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（
），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（
），氢氧根离子在溶液中，铅离子（
）留在正极板上，故正极板上缺少电子。
铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（
），与电解液中的硫酸（
）发生反应，变成铅离子（
），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。
可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图3-1所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。
图3-1铅酸蓄电池电动势产生原理
其原理可通过下面的反应方程式来表示：
负极：
（3-8）
正极：
（3-9）
总反应：
（3-10）
图3-2是固定放电电流下电池端电压与放电时间的示意图。
从图可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量间存在一定的关系。
但到了放电末期，出现转折点，此时电池端电压急剧下降，这是因为电解液中，硫酸的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。
过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短。
图3-2铅酸电池端电压与放电时间的关系
3.2太阳能----蓄电池充电技术研究
对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法
3.2.1恒流充电
恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。
这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。
这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。
为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。
具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。
充电过程中电压、电流变化关系如图3-3所示。
图3-3恒流充电曲线图3-4恒压充电曲线
3.2.2恒压充电
恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。
因此在充
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