职业学院电气工程专业毕业论文-小型家庭太阳能供电系统

安徽机电职业技术学院 毕毕 业业 论论 文文 小型家庭太阳能供电系统 系别电气工程系 专业电气自动化 班级 姓名 学号 2012 2013 学年第一学期 摘摘 要要 随着全球经济的发展，人类环境保护意识的增强以及传统能源的日益枯竭，人 们迫切的需要寻找一种新型的清洁的能源以代替由煤炭、石油、天然气组成的传统 能源。太阳能就是一种可再生的新型能源。太阳能发电，不会产生任何废料，也不 会排放任何气体，对环境没有任何影响，是一种完完全全清洁的能源。如果太阳能 能够取代传统能源，那么对人类的可持续发展是有很深远的意义的。 太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造 价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的 因素之一。 本课题设计一种太阳能家用系统， 为太阳能供电进入千家万户奠定基础。 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件， 是 一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的 光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输 出功率的太阳能电池方阵了。 整个太阳能家用照明系统：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存 储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成 220V,50Hz 交流电供电器 使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有 办法发电，系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供电不足。整 个装置由控制器进行自动切换控制。 关键词：关键词：可再生太阳能光伏发电 I 目目 录录 引引 言言.1 第一章第一章 太阳能及其应用太阳能及其应用.2 1.1 太阳能的含义. 2 1.2 我国太阳能资源.2 1.3 太阳能的应用. 2 1.4 太阳能的利弊. 3 1.4.1 太阳能应用的优点. 3 1.4.2 太阳能应用的缺点. 3 第二章第二章 太阳能发电原理太阳能发电原理. 4 2.1太阳能电池板的发电原理.4 2.2太阳能蓄电池的原理.6 2.3逆变器的工作原理.7 第三章第三章 家用太阳能供电系统的设计家用太阳能供电系统的设计.9 3.1 太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素.9 3.2家用太阳能供电系统组成.9 3.3家用太阳能供电系统组成原件介绍. 9 3.3.1光伏电池组（太阳能电池板）.9 3.3.2太阳能蓄电池.10 3.3.3太阳能控制器. 11 3.3.4太阳能逆变器.12 3.4 需求分析.13 3.5系统设计.13 第第四章四章 软件的设计软件的设计.16 4.1主程序模块.16 4.2 子程序模块.17 II 4.2.1 I/O 设置模块.17 4.2.2 A/D 采样模块.17 4.2.3 异常情况处理模块.18 结结 论论.20 参考文献参考文献.21 1 引引 言言 随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源 的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在 1970 年约为 83 亿吨标准煤，而在 1995 年，这种消耗达到了 140 吨标准煤，即 25 年间增长了 69.7%，并预计，到 2020 年全世界对能源的消耗会达到 195 亿吨标准煤 1。 因此，采用既清洁，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我过是世界 上的能源消耗大国，更应该为可持续发展和环境保护工作尽一份力，太阳能就是我 们想要的新型能源，它不仅可以解决能源枯竭的问题，也不会产生温室气体，对环 境零污染。 我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能 产业规模已位居世界第一， 是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和 重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏 发电系统和太阳能热水系统 2。 太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造 价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的 因素之一。故本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基 础。 2 第一章第一章 太阳能及其应用太阳能及其应用 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的 安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略 中具有重要地位并且得到广泛的应用。 1.11.1 太阳能的含义太阳能的含义 一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以 太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方 法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳 能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。 广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。 1.21.2 我国太阳能资源我国太阳能资源 中国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富 的太阳能资源。 太阳能丰富区:在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在 150 千卡/平方 公分以上。 太阳能较丰富区:北疆及内蒙东部等地，年总辐射约 130150 千卡/平方 公分。 太阳能可利用区:分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原， 年总辐射量为 110130 千卡/平方公分。 1.31.3 太阳能的应用太阳能的应用 就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能发电、太阳 能热水系统等方式 1.3.1 太阳能离网发电系统 太阳能离网发电系统包括： 1、太阳能控制器 对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送 直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能 满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。 2、太阳能蓄电池 组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。 3 3、太阳能逆变器 负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。 1.3.2 太阳能并网发电系统 太阳能并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过 并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。 1.3.3 太阳能热水系统 早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水 装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外， 可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制 循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依 循环方式太阳能热水系统可分两种：自然循环式和自然循环式。 1.41.4 太阳能的利弊太阳能的利弊 1.4.1 太阳能应用的优点 (1)普遍性：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)无害性：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)巨大性：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)长久性：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。 1.4.2 太阳能应用的缺点 (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。 (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。 (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。 4 第二章第二章 太阳能发电原理太阳能发电原理 光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一 种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护 可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统 装置。 2.12.1太阳能电池板的发电原理太阳能电池板的发电原理 太阳光照在半导体 P-N 结上，形成新的空穴-电子对，在 P-N 结电场的作用下， 空穴由 N 区流向 P 区，电子由 P 区流向 N 区，接通电路后就形成电流。这就是光电 效应太阳能电池的工作原理。 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种 是光电直接转换方式。 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热 器将所吸收的热能转换成过热蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换 过程；后一个过程是热电转换过程。 光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电 转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光 能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上 时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联 起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有 前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只 要太阳存在， 太阳能电池就可以一次投资而长期使用； 与火力发电、核能发电相比， 太阳能电池不会引起环境污染。 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的 材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。当光线照射太 阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发 生了越迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在 该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质 是：光子能量转换成电能的过程 3 。 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如 下： 5 图 2-1 硅原子图 如图 2-1 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼，磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空 穴。如图 2-2 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子， 而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生如图所 示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形 成 P 型半导体。 图 2-2 P 型半导体 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非 常活跃，形成 N 型半导体。 P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。 图 2-3 P 型半导体与 N 型半导体结合 6 如图 2-3 所示，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区 域里会形成一个特殊的薄层，界面的 P 型一侧带负电，N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子汇扩散到 P 区，P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个有 N 指向 P 的“内电场”， 从而阻止扩散进行 4。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从 而形成 P-N 结。当晶片受光后，P-N 结中，N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N 型区移动，从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。然后在 P-N 结中 形成电势差，这就形成了电源。 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 P-N 结后，如果在半导体中流动，电 阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流 就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 P-N 结，以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学 家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相 沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000 埃左右。将反射损失减小到 5%甚至更小。一个电 池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联 或串联起来使用，形成太阳能光电板。 2.22.2太阳能蓄电池的原理太阳能蓄电池的原理 蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充 电终止电压。电池的容量通常用 Ah(安时)表示，1Ah 就是能在 1A 的电流下放电 1 小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量 则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容 量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。 蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示， C 为蓄电池的额定容量。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再 继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的 充电终止电压为 1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压为 1.5V。 负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为 氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。 充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达 1.5V 左右，但很快 就下降到 1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随着充放电过程而变化，可用以下式表 示： U充=E充+I充R内(2-1) U放=E放I放R内(2-2) 从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压 7 越高；放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工 作电压为 1.2V。 采用 8h 率放电时， 蓄电池的端电压下降到 1.1V 后， 电池即放完电。 蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的 总容量称为电池的额定容量，容量 Q 用放电电流与放电时间的乘积来表示,表示式 如下： Q=It(Ah)(2.3) 镍镉蓄电池容量与下列因素有关： （1）活性物质的数量； （2）放电率； （3）电解液。 放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大， 蓄电池的容量越小。 使用不同成分的电解液， 对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。 在正常使用的条件下， 镍镉电池的容量效率Ah为67%-75%， 电能效率Wh为55%65%， 循环寿命约为 2000 次。 另外，镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电 时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出 80%的电量后就开始充电，充足 电后，该电池也只能放出 80%的电量，这种现象称为记忆效应 5 2.32.3逆变器的工作原理逆变器的工作原理 逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为 220V 50Hz 正弦或方波） 。应急电 源，一般是把直流电逆变成 220V 交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC） 转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路是 将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关 器件导通和关断。从而可以在输出端 U、V、W 三相上得到相位互差 120电角度的 三相交流电压 6 。 图 2-4 逆变器工作过程 各部分电路的主要功能如下： (1) 输入电路： 为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流电压。 (2) 输出电路： 对主逆变电路输出的交流电的质量（包括波形、频率、电压电 8 幅值相位等）进行修正、补偿、调理，使之能满足用户要求。 (3)控制电路： 为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通 和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。在逆变电路中，控制电路与主逆变电 路同样重要。 (4)辅路电路： 将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。包括多种检 测电路 (5)保护电路： 输入过电压、欠压保护；输出过电压、欠压保护；过载保护； 过流和短路保护；过热保护等。 (6)主逆变电路： 由半导体开关器件组成的变换电路，分为隔离式和非隔离 两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；UPS、通信基础开关电流等是隔离 式逆变电路。隔离式逆变电路还应包括逆变电压器。无论是隔离式或非隔离式主逆 变电路，基本上都是由升压电路 Buck 和降压电路 Boost 两种电路不同拓扑形式组 合而成。这些组合在隔离式逆变器主电路中就构成了单端式（正激式和反激式两 种） 、推挽式、半桥式和全桥式等。这些电路既可以组成单项逆变器，也可组合成 三相逆变器 7 。 9 第三章第三章 家用太阳能供电系统的设计家用太阳能供电系统的设计 3.13.1 太阳能太阳能光伏光伏发电系统的设计需要考虑如下因素发电系统的设计需要考虑如下因素 问题 1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？ 问题 2、系统的负载功率多大？ 问题 3、系统每天需要工作多少小时？ 问题 4、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？ 问题 5、系统需求的数量？ 3.3.2 2家用太阳能供电系统组成家用太阳能供电系统组成 家用太阳能供电系统，是由光伏电池组件（太阳能电池板） ，蓄电池，控制器， 负载与逆变器（输出电源为交流 220V 或 110V）所组成的电路。 图 3-1 系统概况图 3.3.3 3家用太阳能供电系统组成原件介绍家用太阳能供电系统组成原件介绍 3.3.1光伏电池组（太阳能电池板） 光伏电池组件，将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中储存起来，或者推 动负载工作。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。 图 3-2 太阳能电池板实物图 10 3.3.2太阳能蓄电池 太阳能蓄电池是蓄电池在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免 维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广 泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池 8。 白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电 压，把光能转换为电能，再传送给智慧控制器，经过智慧控制器的过充保护，将太 阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存。 太阳能蓄电池的使用与维护： （1）工作适宜温度 1520 （2）太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负 极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电 池的电压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路。 （3）对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池， 进行一次较长时间的 充电，为初充电，应按额定容量 1/10 的电流来进行充电。安装前必须测量 蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行 8 到 16 小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电 正常充电时， 最好采用分级充电方式， 即在充电初期用较大电流的恒流均充， 充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。 （4）保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱上应涂上凡士林， 防止腐蚀极柱。 （5）为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术， 对太阳能蓄电池进行内阻在线 测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。 （6）冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放 于通风阴冷处9。 图 3-3 太阳能蓄电池实物图 11 3.3.3太阳能控制器 太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多 路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制 设备。控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附 近， 以获得最高效率。 而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即 PWM 控制方式， 使整个系统始终运行于最大功率点 Pm 附近区域。在温差较大的地方，合格的控 制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制 器的可选项。 太阳能控制器有三项功能，分别是功率调节功能，通信功能（简单指示功能， 协议通讯功能如 RS485 以太网,无线等形式的后台管理.）与完善的保护功能（电气 保护，反接,短路,过流等） 。 在选择太阳能控制器的时候要考虑输入功率，输出功率，退出欠压保护，散热 与充电模式。 常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、 恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接 导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市 电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限 制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT 充电方式就是追踪电池板的最大电 流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接 近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池 的过充电 10 。 图 3-4 太阳能控制器实物图 12 3.3.4太阳能逆变器 逆变器就是一种将低压（12 或 24 伏或 48 伏）直流电转变为 220 伏交流电的电 子设备。本案中，由太阳能电池板产生的电能，会经过逆变器 DC/AC 转换，转换为 220V，50Hz 的交流电，从而为家用电器提供电能。逆变器是一种电源转换装置，逆 变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。 逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采 用 SPWM 处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹 配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提 供交流电。 逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能 和系统故障保护功能。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功 能。 自动运行和停机功能，早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出 也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入 运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功 率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨 天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近 0 时，逆变器便形 成待机状态。 最大功率跟踪控制功能，太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组 件自身温度（芯片温度）而变化的。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也 是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系 统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳 能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。 图 3-5 太阳能逆变器实物图 13 3.43.4 需求分析需求分析 本设计用电系统是一个三口之家，居住在一个一百平方米左右的的两居室，太 阳能电池板铺设在房屋的顶棚上。客厅内配有是液晶电视机一台（功率约为 100W）， 空调一台（功率约为 2000W），厨房内配有电磁炉一台（功率约为 2000W），电冰 箱一台（功率约为 300W），电饭煲一个（功率约为 1500W），主卧室内放着一台台 式电脑（功率约为 300W），次卧室内放有一台笔记本电脑（功率约为 100W），整 个屋子的照明设施有若干个（功率约为 300W），其它（饮水机，充电器等）功率约 为 400W，总计功率为 7000W。具体情况如下表所示。 表 3-1 家用负载的计算 为了充分满足该用户的需要，决定留出充裕的额度，决定采用正常情况下每日 可以发出十五度到二十度左右的系统， 已备日后填充家电， 更好的留出了备用容量， 已备不时之需。 3.53.5系统设计系统设计 目前，国内的光伏发电系统主要是以直流系统为主，但最普遍的电力负载是交 流负载。对于家居用电来说，基本全部都是交流负载，所以本设计主要针对交流负 载。 整个太阳能家用照明系统如图所示：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成 电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成 50Hz 交流电供 电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天 没有办法发电，所以本设计将蓄电池通过一个正偏二极管和继电开关与蓄电池连接 在一起，最大程度利用太阳能。设计蓄电池的容量维持连续阴雨天气的最长天数为 3 天。结合阴雨天的稳定性考虑，该系统日发电量在 15 度到二十度之间，完全满 足该三口之家的需求。系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供 电器数量功率约为每天运行时间每日消耗电量 液晶电视机一台100W5 个小时0.5 度 电冰箱一台300W4 个小时1.2 度 空调一台2000W1 个小时2.0 度 电磁炉一个2000W1 个小时2.0 度 电饭煲一个1500W2 个小时3.0 度 照明工具若干300W4 个小时1.2 度 台式计算机一台300W3 个小时0.9 度 笔记本计算机一台100W4 个小时0.4 度 饮水机，充电器等若干400W2 个小时0.8 度 总功率7000W12 度 14 电不足。整个装置由控制器进行控制： 图 3-6 家用太阳能供电系统框图 图 3-7 主控制回路原理图 光伏电池通过一正偏二极管、 继电开关与蓄电池连接起来。 系统的工作原理是： 在控制器的作用下，光伏电池向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给负载。控 制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池组不因过充电或过放 电而被损坏，最大程度的利用太阳能。由于光伏电池输出电压不稳定，这样会对后 端电路产生影响，所以采用 Buck 电路实现 DC/DC 变换，得到稳定直流输出 36V， 再通过逆变电路实现 DC/AC， 得到所需的交流电。 控制器由 STC12C5410AD和SG3525 组成。在 DC/AC 输出电压通过变压、整流、滤波后将反馈电压 EA 送 SG3525 进行控 制。SG3525 根据 EA 的值调整 PWM_0_O 来控制 Buck 电路，如果无偏差时，按照 15 原来固定脉宽输出，如有偏差时，SG3525 改变 PWM_0_O 的输出脉宽进行调整。 STC12C5410AD 则控制 SG3525 的启动与停止。整个电路形成一个闭环控制。本设 计只针对照明，所以设计输出为 220V/50Hz 的方波，由 STC12C5410AD 产生 50Hz 的方波来控制逆变电路实现 DC/AC 逆变。 本系统还设计了市电备用， STC12C5410AD 根据预先设定的情况对继电开关进行控制， 继电器的控制如下表所示。 正常工作时， 充电开关 KA 开启，切换开关 KB 工作在逆变状态，市电备用开关 KC 关闭。 STC12C5410AD 通过电阻分压对蓄电池的端电压进行 AD 采样检测，当白天光照强 烈导致电池板输出电压过高，STC12C5410AD 检测到蓄电池过压时，控制器断开太 阳能板的充电开关 KA，停止对蓄电池充电，以实现过压保护功能；如果在夜间出 现蓄电池所储存的电量不足或者遇到连续阴雨天时，STC12C5410AD 检测蓄电池处 于欠压状态，开启市电备用开关 KC，切换开关 KB 工作在市电备用状态。 STC12C5410AD 检测到蓄电池过电压或者欠电压时，发出声光警报，绿灯亮表示正 常工作，红灯亮表示欠压、黄灯亮表示过压。当 STC12C5410AD 检测到电路欠压故 障时，关闭 SG3525 工作，以实现欠压保护功能。 表 3-2 继电器工作组合表 KAKBKC备注 白天 夜晚 市电备用 ON OFF OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON：开启 OFF：关闭 继 电 器 工 作 状 态 16 第四章第四章 软件的软件的设计设计 4.14.1主程序模块主程序模块 整个主程序系统流程如图所示： 图 4-1 主程序流程图 17 4.24.2 子程序模块子程序模块 4.2.1 I/O 设置模块 STC12C5410AD 单片机的 I/O 口共有 4 种工作模式：传统 8051 的准双向口、 推挽输出、开漏输出和仅为输入(高阻)方式。每个 I/O 引脚工作模式都可以通过 设置内部控制寄存器 PnM0 和 PnM1（n 为 03 四个端口，每个寄存器都有八个位) 中两个相对应的位来实现独立设置。STC12C5410AD 单片机上电复位后为准双向口 （传统 8051 的 I/O 口）模式 表 4-1 PnM 口工作模式设置 PnM0 7：0 PnM1 7：0A/D 转 换 所 需 时 间 00准双向口（传统 8051 I/O 口模式） 01推挽输出（强上拉输出） 10仅为输入高阻 (该 I/O 口需作为 A/D 使用，可选此模式) 11开漏 (如果该 I/O 口需作为 A/D 使用，可选此模式) 4.2.2 A/D 采样模块 ST12C5410AD 内置 8 路 10 位高速 A/D 转换器，电压输入型，与 P1 端口复 用，速度均可达到 100KHz(10 万次/秒)。A/D 转换通道的输入信号范围在 05V， 而检测的蓄电池电压在 42V55V，因此将检测到的蓄电池电压通过分压电路转换后 再输入 A/D 口进行转换。 上电复位后 P1 口为弱上拉型 I/O 口， 因此， 先将 P1 口 中作为 A/D 使用的口设置为开漏模式，本设计将 P1.2 作为 A/D 口，即对 P1M0 和 P1M1 寄存器中.2 的位置“1” ，其中 P1M0 和 P1M1 地址：91h、92h。其次设 置 A/D 转换控制特殊功能寄存器 ADC_CONTR。ADC_CONTR 寄存器的地址为 C5H， 启动 AD 转换前一定要确认 AD 电源已打开，AD 转换结束后关闭 AD 电源可降低 功。 表 4-2 模数转换器转换速度控制位的控制模式 SPEED1SPEED0A/D 转换所需时间 11270 个时钟周期转换一次 10540 个时钟周期转换一次 01810 个时钟周期转换一次 001080 个时钟周期转换一次 最后还要设置 A/D 转换结果特殊功能寄存器 ADC_DATA/ADC_LOW2，寄存 器的地址为分别为 C6H 和 BEH，其中 ADC_DATA 寄存器全部 8 位有效，存 10 位 A/D 转