太阳能充、放电控制器设计毕业论文

电气信息工程学院毕业设计论文课 题 名 称 ： 智 能 高 效 太 阳 能 电 池 的 设 计 与 实 现专 业 ： 姓 名 ： 班 级 学 号 ： 指 导 教 师 ： 二一二年 五 月 十五 日 北华大学本科生毕业设计（论文）- 1 -目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 本课题研究的主要内容 .4第 2 章 太阳能电池的研究和分析 .52.1 太阳能电池的原理 .52.2 太阳能电池的分类 .52.3 太阳能电池的等效电路 .62.4 太阳能电池板的主要参数 .72.5 本章小结 .11第 3 章 蓄电池充电技术研究 .123.1 蓄电池的一般特性 .123.2 太阳能-蓄电池充电技术研究 .153.3 本章小结 .18第 4 章 系统硬件设计 .194.1 太阳能充/放电器原理 .194.2 系统硬件设计 .204.3 单片机的防干扰技术 .284.4 本章小结 .31第 5 章 系统软件设计 .325.1 protues 仿真 .325.2 keil 程序调试 .335.3 流程图 .355.4 本章小结 .37结论 .38参考文献 .39致 谢 .40附录 .41北华大学本科生毕业设计（论文）0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；23-5KW 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。北华大学本科生毕业设计（论文）14、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。北华大学本科生毕业设计（论文）21.1.4 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。北华大学本科生毕业设计（论文）33、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。北华大学本科生毕业设计（论文）4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： 硅太阳能电池； 以无机盐如砷化镓 III-V 化合物，硫化镉、铜铟硒等多元北华大学本科生毕业设计（论文）5化合物为材料的太阳能电池； 功能高分子材料 (有机半导体)制备的太阳能电池； 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。 IOILI太阳光 V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)exp1LOqvInKT当 I=0 时，可以得到太阳能电池的开路电压(2-2)l1qLOITV北华大学本科生毕业设计（论文）6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I LIOI流(A)； 为外加电压(V)；q 是单位电荷( 库仑) ；K 是玻耳兹曼常数(V1906.)； 是绝对温度( )； 为二极管指数。231.80/JKTtT273n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