小型太阳能供电系统论文.docx

摘 要随着全球资源危机的日益严峻，越来越多的国家都开始致力于新型能源的研究。太阳能作为一种环保，清洁，储量无限的新型能源，受到越来越多国家的重视。现今，已有许多由太阳能作为电源的产品走入了人们的日常生活，给世界带来了新的活力。为此，本文较详细的介绍了小型太阳能供电系统的发展状况，研究动态和应用前景。并对太阳能供电系统的整个设计过程进行了深入的研究。 结合现今太阳能供电系统的发展现状及相关技术，本文首先介绍了太阳能供电系统的基本组成，工作流程，为下文的展开研究奠定了基础。然后对太阳能电池板的的结构原理、输出特性及选择策略进行了重点的阐述。接着，便是本文最核心的部分控制器的设计。本文将控制器分为硬件和软件两部分分别进行了分析。硬件由反激电路，信号采集电路，主控电路组成，文章详细的对硬件的各个环节进行了具体的设计。软件主要针对mppt算法的流程进行了具体的介绍，通过单片机采用pwm控制的方法实现对太阳能最大功率的跟踪。最后对太阳能的储能设备进行了研究。此部分由蓄电池和充放电控制器组成，控制器起到保护蓄电池和负载的作用。 关键词：太阳能供电；最大功率跟踪；充放电控制器；pwm控制abstractwiththeincreasinglyseriouscrisisofglobalresources,moreandmore countriesarebeginningtostudyanewenergy.solarenergyasanenvironmentallyfriendly,cleanandunlimitedenergy.moreandmorecountriesattentiontoit.today,therearemanyproductswhichusesolarenergyaspowercomingintopeoplesdailylivesandbringnewvitalitytotheworld.therefore,thisarticledescribesthedevelopmentofsmall-scalesolarpowersystem,researchingtrendsandapplications.thisarticlewillstudythedesignofsolarpowersystemin-depth.withthecurrentstatusofsolarpowersupplysystemandrelatedtechnologydevelopment.thispaperintroducesthebasiccomponentsofsolarpowersupplysystem.thenthispaperintroducesthestructureofsolarpanels.thiscontrollerisdividedintotwoparts,hardwareandsoftware.hardwaremakesupdc-dccircuit,thesignalacquisitioncircuit,themastercircuit.thearticlesintroducesdesignofhardware.thesoftwareintroducesprocessesofmpptandthroughthemcutrackingofmaximumpower.finally,thepaperintroducesthesolarenergystoragedeviceofinquiry,whichmakeupbatteryandcontroller.controllerplaystheroleofprotection.keywords：solarpower；mppt；chargeanddischargecontroller；batterycharging.目 录第一部分 绪论1.1 研究背景1.2 研究意义1.3 国内外发展现状1.4 太阳能发电的优点及发展前景1.5 研究内容及设计要求第二部分 小型太阳能供电系统的基本组成2.1 小型太阳能供电系统的基本结构2.2 小型太阳能供电系统的基本原理第三部分 小型太阳能供电系统的硬件设计3.1 太阳能电池板的设计安装3.2 蓄电池组的设计选择3.3控制器的设计安装3.4 mosfet驱动电路3.5逆变电路控制电路3.6采样电路3.9辅助电源设计第四部分 小型太阳能供电系统的软件设计4.1键盘电路4.2 状态显示和告警电路4.3 数据上传4.4 控制器的软件流程结 论参考文献附录致 辞第一部分绪论1.1背景 随着经济的发展、社会的进步,人类社会正面临着一系列重大的挑战,全球经济发展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而对能源的需求量也不断增加。在过去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是矿物燃料。这些矿物燃料燃烧时要产生大量温室气体,全球单是co2排放量每年就超过500亿吨,而且还在不断扩大。形成的酸雨造成土壤退化,危害动植物。全球气候变暖可能会产生灾难性后果,必须采取坚决措施,减少温室气体的排放。因此,治理环境污染,已成为当务之急。同时,矿物燃料的储藏量是有限的,按目前探明的储藏与开发速度的比例计算,地球上可再开采的能源,石油为40年,天然气约为60年,煤炭为200年。如不采取有效措施,到本世纪中叶,人类必将面临矿物燃料枯竭的严重局面。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应,必须实施可持续发展战略,逐步改变现有的能源结构,大力开发利用新能源。这已成为各国的共识。 丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。在新能源中,公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能光伏发电。利用光伏效应，使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电。从太阳光获得电力，需通过大阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：无枯竭危险； 绝对干净（无公害）； 不受资源分布地域的限制； 可在用电处就近发电； 能源质量高； 使用者从感情上容易接受； 获取能源花费的时间短。不足之处是：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积； 获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来，瑕不掩瑜，作为新能源，太阳能具有极大优点，因此受到世界各国的重视。1.2发展现况 近几年国际上光伏发电快速发展，2008年全球光伏市场增至5.5gw，其中，按地区排名西班牙名列首位，德国第二。2008年，全球太阳能安装总量已累计达15gw，西班牙新装量为2.5gw，约占2008年新增安装量的一半。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在3-5年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策（itc）续延2-6年。优点：(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。缺点：(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000w左右；若按全年日夜平均，则只有200w左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有15左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。1.3 市场前景1.3.1太阳能利用中的经济问题：第一，世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。第二，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。1.3.2户用系统市场进入21世纪以来，送电到乡等大规模集中电站建设项目开始实施，但户用系统市场不仅没有萎缩，而且仍然不断地发展。2002年的户用系统安装量达到8.3万套、1.5 mwp；2003年达到8.7万套、1.86 mwp。截至2003年底，上述6省区户用系统的累计安装量已经达到41万套、8.2 mwp。现在，世界各国越来越多的屋顶上都安装了太阳能电池板。日本能源比较缺乏，所以日本人对太阳能十分重视。据日本有关部门估计，日本2100万户个人住宅中如果有80装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的3040。日本政府力争于2010年实现太阳能发电量达到500万千瓦的目标。要实现这个宏伟的发展目标，需要在大约150万户人家的屋顶上安装太阳能发电装置。1.3.3 应用领域首先，利用太阳能光伏发电解决无电农村的照明和家用电源。全球目前尚有20亿左右的人口还未用上电，主要是在发展中国家。我国是最大的发展中国家，有8亿人口在农村，截至目前全国有2万个无电村、上千个无电岛屿，约有2300万的人口得不到正常的能源供应，这是太阳能电池首先要服务的对象。从2002年开始，国家有关部委启动“西部省区无电乡村通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部7省区无电乡村的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业。 其次，太阳能并网发电。太阳能用于并网发电可减少白天高峰时的火力发电量，居民白天可以利用太阳能发电供自己使用，并将所发的富余电量卖给国家电网，这样一来就解决了主力电厂的调峰难题。随着太阳能电池及其组件制造技术的进步，光伏电池的光电转化率必将迅速提高，太阳能光伏系统将从原来的低级向高级、从小型的独立发电系统向大规模的太阳能发电站发展。 第三，太阳能发电在航标灯塔、铁路公路信号系统、微波中继站、高山气象站、边防哨卡独立电源等地域分散型用电领域都可发挥特殊作用。1.4本课题的研究任务 本课题的研究任务是设计一个完整的，具有成本低，发电效率高，无污染特点的太阳能发电系统。第二部分 小型太阳能供电系统的基本组成2.1 发电系统的基本原理太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变成电能的装置。太阳能电池是利用半导体硅材料的电学特性实现p-v转换的装置，是太阳能发电系统的核心部件，又称光伏电池。其发电原理是光生伏打效应，即太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出现正负电荷的积累，即产生了电压，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就会有电流通过，从而获得功率输出。这样太阳的光能就直接变成可以被利用的电能。2.2 发电系统的基本结构太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板，反激升压电路，交直流逆变器，它们在系统中的作用是：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。电池板板面为钢化玻璃封装，可承受冰雹冲击和12级强风的力量，使用温度为-40+60。使用寿命一般为20至25年。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。（二）太阳能控制器：太阳能控制器对蓄电池的充放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常，可靠的工作。延长系统部件的使用寿命。它含有蓄电池过充、过放、负载过电流和防反充等保护电路。 （三）交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换。在很多场合，都需要提供220vac、110vac的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12vdc、24vdc、48vdc。为能向220vac的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用dc-ac逆变器。2.3设计的基本流程图如下tlp250驱动电路反激升压电路太阳能电池板ir2104驱动电路电压采样电路单相逆变电路 输出单片机 pwm控制2.4 发电系统的技术要求2.2.1太阳能电池组件本系统采用的电池组件规格为1650mm*990mm，电池片的转换效率为16.7%。单个组件的发电功率为230w。其中额定参数如下，开路电压voc: 37v短路电流isc：8.4a最大输出功率pmax：230w最佳工作电压vmax：29.5v最佳工作电流imax：7.8a2.2.2 控制器控制器是整个系统中充当管理者的关键部件，它最大的功能是对蓄电池进行全面管理，好的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点，过放点，恢复连接点及soc放电控制等。如果参数设置不当，则会影响蓄电池和负载的使用寿命。第三部分 小型太阳能供电系统的硬件设计3.1 太阳能电池板的设计安装原材料特点：电池片：采用高效率（16.7%以上）的多晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。玻璃： 采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。eva：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质eva膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、tpt之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。tpt：太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。基本参数：标准测试条件：（am1.5）辐照度=1000w/m2,电池温度=25绝缘电压:600v边框接地电阻:10hm迎风压强:2400pa填充因子:73短路电流温度系数：+0.4ma/开路电压温度系数:-60mv/工作温度：-40+90电池板的接线：在左右两个接线端子的旁边有正负极标志，它代表电池在工作状态下输出电压的正负极，按照用电需求正极接正接，负极接负极。接线采用机械压紧方式，用m4十字螺丝刀将接线柱的压紧螺丝旋开，将电线去皮后穿过电缆密封接头，插入接线孔中，将线压紧。电线接好后，将防护盖盖上，用m4十字螺丝刀将自攻螺丝拧入螺丝孔，固定好后在将接线盒盖盖上，即完成电池板的接线。电池板的接地：在电池板的背面安装有接地螺丝，将接地线固定在接地螺丝上即可安全接地。3.2控制器的设计安装3.2.1 太阳能电池的输出特性 由它的输出特性曲线(见图1) 可知，太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流会有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时，电池板输出的电流一定，可以认为是恒流源。因此，必须研究和设计性能优良的太阳能发电控制器，才能更有效地利用太阳能。3)可知，蓄电池充电过程有3个阶段：初期(oa)电压快速上升；中期(abc)电压缓慢上升，延续时间较长；c点开始为充电末期，电压开始上升；接近d点时，蓄电池中的水被电解，应立即停止充电，防止损毁电池。所以对蓄电池充电，通常采用的方法是在初期、中期快速充电，恢复蓄电池的容量；在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。3.3 mosfet驱动电路 设计的控制器属于串联型，即控制充电的开关是串联在电池板与蓄电池之间的。串联型控制器相对于并联型控制器能够更有效地利用太阳能，减少系统的发热量。设计中用mosfet实现开关。mosfet是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且mosfet只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，特别适合作为pwm控制充电开关。采用tlp250控制电路，输出一路pwm波，这样有利于电压的抬升和单片机的控制。tlp250控制电路3.5逆变电路控制电路3.6采样电路第四部分 小型太阳能供电系统的软件设计4.1键盘电路 采用单按键的输入方式，用于开液晶背光和设定充电模式。初始化时将pc7输出高电平，在程序运行过程中，通过定时中断检测是否有按键按下。当有按键按