毕业设计论文太阳能蓄电池充放电控制器的设计含全套CAD图纸Word格式.docx
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AT89C52
1前言
21世纪随着化石能源消耗的不断增长和地球生态环境的日益恶化,世界各国都在积极寻找一种可持续发展且对生态环境无污染的新能源。
作为绿色再生能源，太阳能因其独特的优势而得到青睐。
但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。
随着微电子技术的发展，人们逐渐采用单片机（MCU）智能控制的方法对太阳能光伏发电系统中的蓄电池充放电进行控制，该方法能实时侦测太阳能电池板的电压，并调整电路中的充放电开关，智能切换充放电过程，使蓄电池实现智能充放电管理。
1.1国外太阳能光伏发电的现状和趋势
首先，这些年来在太阳电池及其组件的制造枝术方面有了长足的进步。
目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。
此外，还有CaAs太阳电池、CdTe太阳电池和CuInSe2（CIS）太阳电池等。
单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3%,15%,实验室最高效率已达到2个4%（澳大利亚新南威尔士大学）。
多晶硅太阳电池组件的平均效率也有12%,14%儿实验室最高效率已达到19.8%。
由于生产规模扩大，生产工艺的改进，晶体硅太阳电池组件的制造成本已降到3.0,3.5美元/Wp，组件的售价也相应降到3.5,4.5美元/Wp左右，光电系统成本约为7,9美元/Wp对于非晶硅太阳电池由于其稳定性问题长期得不到解决，一度曾放慢了开发速度。
然而近来由于引入了引C之类的功能材料和研制成了叠层非晶硅电池，其稳定性得到了显著的改善，重新获得了人们的重视。
目前单结非晶硅太阳电池的光电转换效率稳定值已达到5%,7%，实验室最高效率为13.2人多结电池为7%,9%，实验室最高效率为15.3%单结非晶硅电池组件原材料成本0.3美元/Wp，售价3.0,3.5美元/Wp;
多结电池组件的成本差别较大，售价为3.5,4.5美元/Wp。
太阳能光电技术应用系统方面，在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后，现在正在迈向较向较大规模的
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商业应用。
一方面，兆瓦级阳光电站不断出现，在已建成兆瓦级电站中，最大的已达到6.5MWp（美国加州）。
目前正在建造阳光电站规模达到50MWp（希腊克里特岛），而准备建造的更大的阳光电站规模将达到100MWp（美国）;
另一方面，近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。
这些系统以家庭为单位进行安装供电，同时为了降低造价省去储能部件（蓄电池），与大电网相联，互相补充电能。
1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1,5KWp，累计安装量已达33MWp。
1998年德国政府进一步提出了10万套屋顶计划，今年将完成0.6万套。
日本政府1994年开始实施“朝阳七年计划”，到2000年将安装16.2万户屋顶系统，总容量达185MWp，1997年又再次宣布实施“七万屋顶计划”，每套容量扩大4KWp，总容量为280MWp。
意大利1998年也开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量50MWp。
甚至印度也于1997年12月宣布在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。
1.2国内太阳能光伏发电的现状和趋势
我国的太阳能光电技术自70年代以来也有相应的发展。
现有主要生产厂有六家:
宁波太阳能电源厂、云南半导体器件厂，秦皇岛华美光电设备总公司、哈尔滨一克罗拉太阳能电力公司，深圳字康电子有限公司。
目前国内生产的太阳电池组件年销售量为2.5,3.0MW。
，单晶硅太阳电池的效率已达到12%一14%，实验室效率最高为20人草结非晶硅电池的稳定效率为5.0%,5（5%，实验室最高效率为8.35%（南开大学），单晶硅太阳电池组件制造成本为30,35元/WP，市场售价42元/WP;
单结非晶硅太阳电池组件的原材料成本约为3元/WP，售价为24元/WP。
历年来太阳能光电系统的总安装容量在10MW。
以上，多数用于交通信号、通信和阴极保护等方面，约占60%以上，其余用于我国西部和西北部阳光资源比较丰富的边远地区，如新疆、青海、甘肃、西藏和内蒙古等省区供人民家庭用电。
这些家用小系统的功率多在50W。
以下，估计全国己有10万套以上。
现有最大的阳光电站容量为100kWp（西藏安多）。
并网屋顶光电系统也已起步，在深圳和北京分别安装了17kWp和7kWp。
根据电力部制定的1996,2020年国家太阳能光电（PV）发展计划，我国在2000年和2020年太阳能光电总容量将分别达到66MWp和300MWp，其中家用阳光电源分别为15MWp和50Mwp。
在联网阳光电站建设方面，计划2000年完成二座500KWp的阳光电站，2020年前建成5座兆瓦级阳光电站。
以上可见，我国的太阳能光电发展也相当快，但与国外一些国家相比，其发展速
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度实在不尽如人意，1998年，我国太阳电池组件的销售量为3.0,3.5MWp，仅占当年世界总销售量的2%左右，多晶硅太阳电池及组件的规模生产尚属空白。
应用系统的商品化程度很慢，实验室的研究工作与国际先进的水平差距正在扩大。
总之，无论是太阳电池组件，还是阳光发电应用系统，与国外先进国家相比，在研究和开发水平、产业化规模，商品化程度上匀有根大的差距。
2我国有960万km的土地，其中有2/3地区年日照时数在2200h以上，具有丰富的太阳能资源，我国有12.5亿人口，其中还有近0.6亿人生活在无电地区。
目前我国的年消费量约为15亿吨标煤，其中煤炭占75%以上,由于燃煤造成的烟尘排放量和CO2排放量均在2000万吨左右。
至2020年，预测我国能源的年需求量将达到30,40亿吨标准煤，环保问题比较突出。
因此，无论从当前来看，还是从长远来看在我国都存在着巨大的太阳能光电市场。
2太阳能光伏发电系统研究分析
2.1太阳能光伏发电系统的构成
太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、蓄电池、光伏控制器、交流逆变器、光伏发电系统附属设施组成。
太阳能光伏发电系统中，太阳能电池板将太阳光的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能储存于蓄电池中。
当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各个负载上。
太阳能电池板产生的直流电，可以直接供给直流负载使用，也可以用交流逆变器转变为交流电，供交流负载使用。
（1）太阳电池组件:
太阳电池是太阳能光伏发电系统的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。
但单体太阳电池的工作电
2压和工作电流一般很小，工作电压约为0.45,0.5V，工作电压约为20,25mA/cm,一般不能单独作为电源使用。
将太阳电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳电池组件，其功率可以达到几瓦、几十瓦、几百瓦，就可以单独作为电池使用了。
太阳电池的转换效率和成本是太阳光伏发电研究过程中重要的两个指标。
（2）蓄电池:
当白天阳光充足时光伏电池发出的电相对负载可能有多余而在晚上或阴雨天时光伏电池的输出功率为零或很小不能满足负载的要求时，需要一个储能装置，此时蓄电池可以作为太阳能不足时的补充，由可以作为多余太阳能的存储，大大
1,提高了太阳光能的利用率。
（3）光伏控制器:
光伏控制器又叫充放电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;
同时保护蓄电池，避免过充电和过放电的现象发生。
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（4）交流逆变器:
交流逆变器是将直流电变换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。
（5）光伏发电系统附属设施:
光伏发电系统附属设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统。
2.2太阳能光伏发电系统的工作原理
太阳能发电系统从大类上可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。
图1是独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。
其基本原理是太阳能电池将太阳能的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池中。
当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。
太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换为交流电，供交流负载使用。
太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。
图1独立型太阳能光伏发电系统工作原理示意图
Fig1Theindependentsolarenergyphotovoltaicpower
generationsystemschematicdiagram
图2是并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。
并网型光伏发电系统由太阳能电池组方阵将光能转变成电能，并经直流配线箱进入并网逆变器，有些类型的并网型光伏系统还要配置蓄电池组存储直流电能。
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图2并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图
Fig2Thegrid-connectedsolarphotovoltaicpowergeneration
systemworkingprinciplediagram
并网逆变器由充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。
经逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网（可称为卖电）。
当并网光伏系统因天气原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载供电（称为买电）。
系统还配有监控、测试及显示系统，用于对整个系统的工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以通过计算机网络系统远程传输控制和显示数据。
本设计中的太阳能蓄电池充放电控制器采用面对独立型太阳能光伏发电系统而设计。
3光伏电池的研究与分析
3.1太阳能光伏发电原理分析
太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也叫光伏电池。
当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。
被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。
若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。
单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。
图3是太阳能光伏电池发电原理示意图。
图
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3太阳能光伏电池发电原理示意图
Fig3Schematicdiagramofsolarphotovoltaicpowergeneration
3.2光伏电池等效电路分析
太阳能电池的内部等效电路如图4所示，为了便于理解，我们可以形象地把太阳能电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体，即在光电池的两端并联了一个处于正偏置下的二极管，同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。
由于二极管的存在，在外电压的作用下，会产生通过二级管PN结的漏电流，这个电流的Id方向与光生电流的方向相反，因此会抵消一部分光生电流。
串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。
正常电池片的串联电阻一般小于1.并联电阻又称旁路电阻，主要是由于半导体晶体缺陷引起的边缘,
漏电、电池表面污染等使一部分本来应该通过负载的电流短路形成电流，相当于有Ir一个并联电阻的作用，因此在电路中等效为并联电阻，并联电阻一般为几千欧，则通过电流很小，对光生电流消耗很小。
通过分析说明，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，就越接近于理想的太阳能电池，该电池的性能就越好。
图4太阳能电池的等效电路
Fig4Equivalentcircuitofsolarcell
3.3光伏电池主要性能参数
太阳能电池的性能参数主要有:
短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因数和转换效率等。
（1）短路电流I:
在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
SC
（2）开路电压:
在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
UOC
（3）峰值电流:
在给定日照强度和温度下相应最大功率点的电流。
IM
U（4）峰值电压:
在给定日照和温度下相应最大功率点的电压。
M
7
（5）峰值功率:
在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。
PM
（6）填充因数（FF）:
太阳能电池在给定日照和温度下最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。
PM
（1）FF,U，IOCSC
（7）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PPSM
于工作点。
通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率,。
,,,P/P,MPPTMS
以上各个参数可以在图5中表示如下:
图5太阳能电池的I-U特性关系曲线
Fig5SolarbatteryI-Ucharacteristiccurves
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图6太阳能电池的P-U特性曲线
Fig6TheP-Ucharacteristiccurveofsolarcell
图5中，在I-U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UIMM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PM
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:
UIMM
。
图6可表示太阳能电池的P-U曲线。
P,I，UMMM
此处已删除部分
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图15脉冲式充电曲线
Fig15Pulsechargingcurve4.3.7智能充电
智能充电是以美国人J.A.MAS（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。
它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。
虽说可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。
但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。
因此还未见到在光伏系统中采用充电
5,可接受电流控制的智能充电的研究报道。
5太阳能蓄电池充放电控制器原理分析
太阳能蓄电池充放电控制器又称太阳能光伏控制器，它是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分。
在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。
在大中型系统中，控制器担负着平衡光伏系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。
目前市面上的光伏控制器种类繁多，型号不一，虽然控制器的控制电路根据光伏系统的不同其复杂程度有所差异，但其基本原理是一样的。
图16所示的是最基本的光伏控制电路的工作原理框图。
该电路由太阳能电池组件、控制器、蓄电池和负载组成。
开关1和开关2分别为充电控制开关和放电控制开关。
开关1闭合时，由太阳能电池组件通过控制器给蓄电池充电，当蓄电池出现过充电时，开关1能及时切断充电回路，使光伏组件停止向蓄电池供电，开关1还能按预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。
当开关2闭合时，由蓄电池给负载供电，当蓄电池出现过放电时，开关2能及时切断放电回路，蓄电池停止向负载供电，当蓄电池再次充电并达到预先设定的恢复充电点时，开关2又能自动恢
7,复供电。
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图16光伏控制器基本电路框图
Fig16Photovoltaiccontrollerbasiccircuitdiagram
6太阳能蓄电池充放电控制器硬件电路的设计
6.1充放电控制器系统结构设计
一个完整的控制系统一定要具备检测、传输、运算、执行部分，这个设计也不例外。
太阳能蓄电池充放电控制器的系统结构设计如图17所示，
本系统的能量由太阳能电池提供，系统具有以下功能:
（1）数据采集:
通过对蓄电池两端电压进行检测，后经过整流和滤波，及A/D转换后，输入给AT89C52单片机的。
（2）电压判断控制:
在得到瞬时的电压数据后，自动运行单片机内软件预先设定的电压值对比程序，作出相应的判断，电压信号从单片机输出端口输出。
3）命令执行:
通过对相应的端口输出高电平，相应线路上的三极管截止，断开（
相对应的充放电开关，达到智能控制充放电的目的。
图17太阳能蓄电池充放电控制器的系统结构
Fig17Solarbatterycharginganddischargingcontrollersystemstructure
6.2太阳能蓄电池充放电电路设计
6.2.1光伏电池的选择
对于光伏电池的选择考虑到前面对光伏电池的分析说明，在本电路系统设计
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中采用SUNTEL公司型号为M-sol50W的单晶硅光伏电池，电池板规格:
100845335mm,4.5kg、短路电流:
3.2A，开路电压:
25.43V，峰值电流:
，，IUISCOCM2.9A，峰值电压:
17.2V峰值功率:
50W。
UPMM
6.2.2蓄电池电池的选择
V12AH型号的铅酸蓄电池，根据光伏电池的选择，蓄电池选择YOUTOP公司的12
电池的性能参数:
外形尺寸:
长:
151mm宽:
98mm高:
95mm总高:
100mm，额定电压:
12V，额定容量（20hr）:
12Ah，重量:
约3.4Kg，不同放电率实际容量:
20小时率:
12.0Ah，10小时率:
11.4Ah，5小时率:
9.6Ah，1小时率:
7.8Ah，在25?
（77?
）时完全充电的内阻:
约32mΩ，充电方法（恒压），循环:
最大充电电流为3.6A，充电电压14.5-15.0V/12V77?
（25?
），充电温度补偿电压-24mV/?
，浮充:
最大充电电流为3.6A，充电电压13.6-13.8V/12V77?
），充电温度补偿电压-18mV/?
本设计采用两个12V的蓄电池串联使用。
6.2.3充放电电路其他元件选择
8,根据前面的选择，在下表1中选择保护蓄电池的保险丝。
表1常用的铅锑合金保险丝的规格
Table1Commonleadantimonyalloyfusespecification
直径（mm）额定电流（A）熔断电流（A）直径（mm）额定电流（A）熔断电流（A）0.28120.71360.321.12.20.813.757.50.351.252.50.985100.361.352.71.026120.401.531.257.5150.461.853.71.5110200.52241.6711220.542.254.51.7512.5250.602.551.981530
因为蓄电池最大充电电流为3.6A，选择一个比它大一点的电流，选择直径为0.46mm,额定电流1.85A熔断电流3.7A。
整流二极管选择型号6A05二极管,最高反向峰值电压50V，平均整流电流6A最大峰值浪涌电流400A最大反向漏电流10A正向压降0.95V。
对于场效应管的选择，因为考虑到要用单片机实现蓄电池充放电的智能控制，需
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要随时导通和断开电路，所以这里采用N沟道增强型绝缘栅场效应管，增强型管子的N沟道只当外加电场U,0时才能存在，而当U=0时，N沟道就不存在了。
GSGS
图18关闭状态下的场效应管
Fig18Undertheclosingstateofthefieldeffecttube
其结构和工作原理如图18、19，这里开启电压为U，当0,U,U出GS（th）GSGS（th）现耗尽层，此时场效应管为关闭状态;
U,U出现N型沟道，此时场效应管为开GSGS（th）
9,启状态。
图19开启状态下的场效应管
Fig19Undertheopeningstatu
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