太阳能电池讲解.docx
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太阳能电池讲解.docx
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太阳能电池讲解
新疆大学科学技术学院
Collegeofscience&technologyXinjiangUniversity
学生毕业论文(设计)
题目:
光蓄发电系统的蓄电池充放电控制器设计
指导教师:
希望
学生姓名:
刘阿伟
专业:
电气工程及其自动化
班级:
电气10—1
完成日期:
声明
郑重声明,此论文(设计)是本人在相关老师指导下完成,没有抄袭、剽窃他人成果,否则,由此造成的一切后果由本人负责。
本人签名:
新疆大学科学技术学院
学生毕业论文(设计)任务书
学生姓名学号
专业班级
论文(设计)题目
论文(设计)来源
要求完成的内容
发题日期:
年月日完成日期:
年月日
指导教师签名
摘要
目前在全世界范围内,由于能源的不可再生和人类的过度开采,全球化的能源危机已经初现端倪,为此世界各国竞相发展绿色能源,太阳能凭借其独特的优点,受到了一致的青睐,在太阳能的各种应用中,光伏发电应用倍受关注。
光伏发电系统主要有两种:
分布式发电系统和独立式发电系统,然而现在光伏发电应用的主流为独立式发电系统,在独立式发电系统中主要由四部分:
太阳能电池板,控制器,,和直流负载。
其中控制器为整个发电系统的核心,由于独立式发电系统中蓄电池的充电放电比较频繁故所以控制器要对蓄电池的充电放电进行管理,从而延长蓄电池寿命,减少系统的故障率,提高系统稳定性大大减少发电运营成本。
本次毕业设计就将对独立式光伏发电中所要使用到的基于单片机的太阳能蓄电池的控制器进行探讨和研究。
【关键词】太阳能;单片机;控制器
ABSTRACT
Atpresent,whilemostcountriesallovertheworldaredevelopinggreenandrenewableenergy,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Photovoltaic(PV)systemsarepaidmoreattentiontoamongitsvariousapplications.PVsystemsaremainlytwo:
stand-alonedistributedpowersystemsandpowergenerationsystems,butstand-alonesystemshasbeenatrendinnowdays.Stand-alonedistributedpowersystemshasfourmainlyparts:
theSolarpanels,thecontroller,thebatteryandtheDCload,whileinthefourparts,thecontrolleristhemostimportantone.Thecontrollerhastodecidehowandwhentochargeordischargebecauseofthehighworkingfrequencyofthesystem,Sothecontrollercanextendedthebatterylife,decreasethefailurerate,makethesystemsteadyandreducethecostsofsystem.Thisgradualdesignaimedatthestudyofthecontrollerusedinthestand-alonesystemsbasedonmicrocontroller.
Keywords:
solarenergy;microcontroller;controlle
绪论
随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求,近年来能源供需矛盾突出,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。
太阳光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。
它同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:
1.无枯竭危险;2.干净无公害;3.不受资源分布地域的限制;4.可在用电处就近发电;5.能源质量高;6.获取能源花费的时间短。
正是由于以上特点,美国在经历上世纪80年代能源危机后,就一直致力于开发太阳能发电技术,到现在为止该项技术在美国,德国,瑞士和日本等国的技术发展和推动下,已变得极为成熟。
光伏发电系统主要可分为两种,一种是分布式发电系统,另一种是独立式发电系统,分布式发电系统主要应用于与电力网络并网发电的规模较大光伏发电系统中;独立式发电系统则主要应用于一些小型的负荷,比如城市路灯照明系统中,或者在一些偏远野外地区短期作业时使用。
目前应用最为广泛的是独立式光伏发电系统,其应用方便,成本低廉,可操作性强,正在越来越多的被人们广泛使用。
独立式光伏发电系统主要有4部分组:
太阳能电池板,控制器,蓄电池和直流负载。
太阳能电池板和蓄电池的技术发展相对来说比较成熟,而对于控制器由于所适用的场合有所不同,其对性能的要求也就各不相同,就一般太阳能电池板蓄电池对于控制器的要求主要侧重于对蓄电池充放电的管理,以及对夜间和白昼的充放电选择,这样才能更加合理的利用太阳能,使光伏发电系统的效率最大化,另一方面通过单片机对蓄电池的过充电和过放电的管理,可以延长蓄电池的寿命,从而进一步提升系统的性价比,因此对于设计出这样一种智能控制器就显得很必要了。
本次设计中将以ATMEL系列中的AT89S51单片机为控制中心,软硬件的结合,利用分压电路对蓄电池,太阳能电池的电压、电流进行采样。
再经过A/D转换采样数据输入到单片机中进行处理。
单片机输出经光耦驱动MOSFET管来控制外接电路开启关闭。
该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电,当蓄电池电压在14.4V+0.5时,太阳能电池停止对蓄电池充电,当蓄电池电压在10.9V+0.5时,蓄电池停止对负载放电;负载电流检测电路可进行过流保护及负载功率检测.。
图1.1太阳能电池板给直流系统供电的系统结构框图
图1.2系统结构框图
1.1太阳能电池
如下图所示,太阳能电池是利用半导体光伏效应制成的,能够直接将太阳辐射转换成电能的器件。
具有很强的光伏效应半导体材料,当吸收一定能量的光子后其内部导电的载流子分布和浓度发生变化。
光照在半导体P/N结上,就会在其两端产生光生电压,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。
在这个过程中,光电池本身不发生任何化学反应,也没有转动磨损,因此使用太阳能电池的过程中没有噪声,没有环境污染,这是其他方式发电所不能比拟的。
图1.3太阳能电池产生光伏效应
1.2蓄电池
1.2.1蓄电池分类
蓄电池有不同类型和大小。
通常手电筒用的干电池,称为一次电池(原电池)。
还有一类可充电电池,称为二次电池,例如:
汽车起动用的铅酸电池,手电筒、收音机使用的镉镍充电电池等。
1)铅酸蓄电池:
用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质(即参加化学反应的物质),以浓度为27%--37%的硫酸水溶液作为电解液的电池,称为铅蓄电池(俗称“铅酸蓄电池”)。
铅蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、充放电循环次数多、端电压高,容量大(高达3000Ah)的特点,而且还具备防酸、防爆、消氢、耐腐蚀的性能。
同时随着工艺技术的提高,铅蓄电池的使用寿命也在不断提高。
近年来还开发出具有免维护特点的密封式铅蓄电池。
密封式铅酸电池,维护简便,运输方便,但价格较贵,一般是开口铅电池的2—3倍。
密封式铅电池在高温的气候条件下,容易因过充而损坏。
2)碱性蓄电池:
碱性蓄电池按其极板材料,可分为镉镍蓄电池、铁镍蓄电池等。
碱性蓄电池与铅蓄电池相比具有体积小,可深放电,耐过充,过放电,以及使用寿命长,维护简单等优点。
碱性蓄池的缺点是内阻大,电动势较低,造价高。
同低成本的铅电池比较,镉镍电池初始成本比铅电池高4—5倍,因此在光伏系统中较少采用Il71。
由于铅蓄电池的性能价格比仍优于镉镍电池,目前在光伏系统中铅蓄电池仍在大量使用。
1.2.2蓄电池容量
蓄电池容量是蓄电池储存电能的能力,通常以蓄电池充满电后放电至规定的终止电压时,电池放出的总电量表示。
当蓄电池以恒定电流放电时,它的容量(Q)等于放电电流值(I)和放电时间(T)的乘积,即Q=IT。
如果放电电流不是常量,则蓄电池的容量等于不同放电电流值与相应放电时间的乘积之和。
蓄电池容量不是固定不变的常数,它与充电的程度、放电电流大小、放电时间长短、电解液比重环境温度、蓄电池效率及新旧程度等有关。
通常在使用过程中,蓄电池放电率和电解液温度是影响容量的最主要因素。
1)放电率对蓄电池容量影响。
蓄电池容量的大小随放电率不同而不同,一般规定10小时放电率的容量为固定型蓄电池的额定容量。
若使用高于10小时的放电率,则可得到高于额定值的电池容量;若使用低于10小时的放电率,所放出的容量要比蓄电池的额定容量小。
图1.4展示出放电率对蓄电池容量的影响,由曲线可以看出,随着C/20到C/1放电率的加大,蓄电池容量在减小。
2)电解液对蓄电池容量影响。
电解液温度的影响:
电解液温度高时(在允许的温度范围内),离子运动速度加快,获得的动能增加,因此渗透力增强,从而使蓄电池内阻减小,扩散速度加快,电化应加强,从而使电池容量增大;当电解液温度下降时,渗透力降低,因此蓄电池内阻增大,扩散速度降低,电化反应滞缓,使电池的容量减小。
图1.4还展示出温度对蓄电池容量的影响,由曲线可以看出,随着温度的升高,蓄电池容量呈增加趋势
图1.4蓄电池温度曲线
电解液浓度的影响:
电解液浓度不同,蓄电池的容量和电压也不同,尤其是极板孔眼内部的电解液浓度是决定蓄电池容量和电压的重要因素。
若电解液浓度低,在放电过程中孔眼内电解液比重相应降低,不能维持足够的硫酸量,则电池的电动势随之下降,容量也因此减小。
3)局部放电对容量影响。
铅酸蓄电池无论在放电时还是静止状态下,其内部都有自放电现象,称为局部放电。
产生局部放电的原因,主要是由于电池内部有杂质存在。
尽管电解液是由纯净浓硫酸和纯水配制而成,但还是含有少量的杂质,而且随着蓄电池使用时间的增长,电解液中的杂质缓慢增加。
这此杂质在极板上构成无数微形电池产生局部放电,因此无谓的消耗着蓄电池电能。
为了减小蓄电池的局部放电作用,在安装、维护工作中应选择合格的硫酸和纯水,尽量防止有害杂质落入电池。
局部放电还与蓄电池的使用温度有关,温度越高,局部放电越严重,因此要尽量避免蓄电池在过高温度下运行。
1.2.3蓄电池能量效率
描述蓄电池效率的物理量有二个:
“按时效率”、“能量效率”和“电
压效率"。
当设计蓄电池储能系统时,能量效率特别有意义。
如果电流保持
恒定,在相等的充电和放电时间内,蓄电池放出电量和充入电量的百分比,称为蓄电池的能量效率。
铅蓄电池效率的典型值是:
按时效率约为87%一93%;能量效率约为71%--79%,电压效率85%左右。
此外,还有“比能量"也是评价蓄电池水平的一个重要技术指标,即单位重量或单位体积的能量,分别以Wh/kg和Wh/L表剥20J。
蓄电池效率受许多因素影响,如温度、放电率、充电率、充电终止点的判断等。
影响蓄电池能量效率的电能损失主要来自以下3个方面:
1)充电末期产生电解作用,将水电解为氢和氧而消耗电能;2)电池的局部放电作用(或漏电)消耗了部分电能;3)电池的内阻产生热损耗而损失电能。
1.2.4蓄电池循环寿命
蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。
但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响,有时是重大影响。
首先,放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大,蓄电池经常深度放电,循环寿命将缩短,见图1.5,其次,同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电,对蓄电池寿命都产生影响。
大电流充电,特别是过充时极板活性物质容易脱落,严重时使正负极板短路;大电流放电时,产生的硫酸盐颗粒大,极板活性物质不能被充分利用,长此下去电池的实际容量将逐渐减小,这样使用寿命也会受到影响。
图1.5蓄电池放电深度曲线
蓄电池寿命虽然取决于蓄电池极板的工艺水平和制造质量,然而当蓄电池在现场投入运后是否能实现制造时付与蓄电池的寿命顶期,用户的运行和维护水平将起着决定性作用。
2基于8051单片机的硬件电路设计
2.1系统调试
2.1.1硬件电路调试
下图为该系统的总体设计
图2.1系统硬件总体设计图
在本次设计中所使用的硬件设计工具为proteus仿真软件,Proteus是由LabcenterElectronics开发的功能强大的单片机仿真软件,Proteus与其他的仿真软件相比较,在下面的优点:
1.能仿真模拟电路、数字电路、数模混合电路;
2.能绘制原理图、PCB图;
3.几乎包括实际中所有使用的仪器
4.其最大的亮点在于能够对单片机进行实物级的仿真。
从程序的编写,编译到调试,目标版的仿真一应俱全。
支持汇编语言和C语言的编程。
还可配合KeilC实现程序的联合调试,将Proteus中绘制的原理图作为实际中的目标板,而用KeilC集成环境实现对目标板的控制,与实际中通过硬件仿真器对目标板的调试几乎完全相同,并且支持多显示器的调试,即Proteus运行在一台计算机上,而KeilC运行在另一台计算机上,通过网络连接实现远程的调试。
但由于本次设计所涉及的部分元器件在proteus中是没有的,因此我们在对硬件进行调试时需要对部分器件进行调整,这样才能使硬件的以仿真,具体调整如下:
由于ADC0809在proteus
用可变电阻的的回路代替蓄电池,作为ADC0809的模拟电压采样输入
在对于充电和放电回路的MOSFET将不在系统中进行仿真,而改用LED与输出引脚相连接,从而可以直观的在仿真中看出控制信号的变化
关于ADC0808的基准电压。
ADC0808的Vref(-)可直接与地想接,但一定要注意,对于ADC0808,它的输入端为模拟信号,所以在接地的时候也必需接模拟地,而非数字地。
Vref(+)则需通过一个可变电阻的回路与之相连接,在仿真的时候要要将输入的输入的模拟电压调至最大即5V,不停的调节滑动变阻器,当输出全变为1时,即可。
否则会出现输入端电压虚高,ADC0808不能对输入的模拟采样电压进行转化或者转化出的数据部准确,从而影响了单片机对采样电压的判断,早成单片机对蓄电池的充放电管理混乱,这一点也在做仿真时一定要注意的。
2.1.2程序调试
对于本次设计用汇编语言对单片机程序采用keiluVision4对汇编语言进行设计编译
KeiluVision2是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,使用接近于传统C语言语法来开发,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编,您可以在关键的位置嵌入,使程序达到接近于汇编的工作效率。
程序编写与调试的方法
用keiluVision4对汇编语言进行调试时,首先要建立工程,只有在建立工程这样一个大的背景之下才能对汇编语言进行编译和调试。
当工程建立好之后,系统会让你选择本次汇编时所使用的微处理器芯片,本次设计所使用的是Atmel些列的T80C51单片机。
点击工程栏为工程进行设置,总共有12个选项,1在初期进行汇编时可将这12个选项全部设置为默认。
此时工程就已完全建立好了。
对汇编进行编写的时,可以在任何一种模式下进行编写,但保存的时候,一定要将其后缀名改为asm,因为用KeiluVision2软件进行汇编时,它只能够对asm文件识别,当然在KeiluVision2软件模式下,编写汇编语言保存时,也要讲后缀名改为asm,因为该软件编写程序时默认的为C语言。
在程序编写好之后,鼠标右击工程的下拉选项,选择为工程添加文件选项,此时将会打开一个对话框,供编写者选择所要添加的文件,但是编写出的文件时找不到的,这是因为正如上面所讲到的,KeiluVision2软件所默认的格式为C语言格式,所以此时需要将文件名下方的格式栏中的格式选为AsmSourcefile,此时对话框中就会出现所要用到的文件。
程序调试好之后,需要与proteus进行联机调试时,要在工程设置中的输出选项,选中产生HEX文件选项。
这样在用proteus进行仿真时,可双击单片机,点击文件图标,这样就可以将编写出的程序加载到单片机中,实现总体设计的仿真。
以上是利用KeiluVision2进行初级汇编的编程者所要注意的问题。
2.2电压采集电路
2.2.1电压采样电路
如图2.2所示,电压采集电路使用两个串联的电阻,大小比例为4:
1,然后并联在需要检测的电压两端,从两个电阻中间采集电压。
由分压公式得出采集的电压为VR1R21/5电池充满电时电压大概为14.5V,计算出采集到的电压为2.9VA/D转换芯片的ADC0809的值为94H
图2.2电压采集电路
假设蓄电池电压为U,则根据欧姆定律
R=
和串联电路的分压特性,可得
=
.U=
U=
U
通过采样对蓄电池电压进行采样后,模数转换的芯片输入端所处理的电压范围缩小至0~3V,大大增强了数模转换的可行性。
2.2.2ADC0809模数转换芯片
AT89S51单片机没有内置的A/D转换模块,因此采集的电压需要经A/D转换才可接入单片机。
在本次设计中,我们采用ADC0809对采样电压进行数模转换,
ADC0809为八位逐次比较式A/D转换芯片,具有8路模拟输入通道和8位数字输出通道,其工作频率为640kHz(理论上≤1kHz)。
该芯片采用脉冲启动方式:
只要给其控制端加一个符合要求的脉冲信号即可启动该芯片进行模数转换(通常用
和地址译码的输出经过一定的逻辑电路进行控制,对于本次设计,只需把符合要求的电平加到启动控制端即可可是转换)。
ADC0809芯片内部逻辑与引脚图
(a)
(b)
图2.3ADC0809芯片的内部逻辑结构与引脚图
(a)内部逻辑图(b)引脚图
ADC0809输入通道地址选择表
表3.1ADC0809输入通道地址选通表
ADDCADDBADDA
选通的通道
000
001
010
011
100
101
110
111
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
ADC0809工作转换时序
2.2.374LS373锁存器
74LS373是一种带输出三态门的8D锁存器,其结构如下图所示
图2.574LS373结构示意图
1D~8D为8个输入端
1Q~8Q为8个输出端
G为数据锁存控制端:
当G为“1”时,锁存器输出端同输入端;当G由“1”变0时,数据输入锁存器中。
为输出允许端:
当
为“0”时,三态门打开;当
为“1”时,三态门关闭,输出呈高阻状态。
在51单片机系统中,常采用74LS373作为地址锁存器使用,其连接方法如下图所示。
图2.674LS373用作地址锁存器
2.3单片机及其外围电路
2.3.1单片机功能引脚介绍
本设计使用51些列单片机,51系列单片机是8051系列的简称,是指MCS-51系列单片机和其他公司的8051派生品。
MCS-51系列单片机最早是由intel公司推出的通用型单片机,MCS-51系列单片机产品可分为两大系列:
51子系列和52子系列。
51子系列的基本产品是8031,,8051和87c51三种机型,分别与这三种机型兼容的低功耗CMOS器件产品是80C31,80C51和87C51。
它们的指令系统和芯片引脚完全兼容,它们之间的差别仅在于片内有无ROM或EPROM
图2.751单片机引脚图
51单片机引脚功能:
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片,引脚分布请参照----单片机引脚图:
lP0.0~P0.7P0口8位双向口线(在引脚的39~32号端子)。
lP1.0~P1.7P1口8位双向口线(在引脚的1~8号端子)。
lP2.0~P2.7P2口8位双向口线(在引脚的21~28号端子)。
lP3.0~P3.7P2口8位双向口线(在引脚的10~17号端子)。
P0口有三个功能:
1、外部扩展存储器时,当做数据总线(如图1中的D0~D7为数据总线接口)
2、外部扩展存储器时,当作地址总线(如图1中的A0~A7为地址总线接口)
3、不扩展时,可做一般的I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P0口有三个功能:
1、外部扩展存储器时,当做数据总线(如图1中的D0~D7为数据总线接口)
2、外部扩展存储器时,当作地址总线(如图1中的A0~A7为地址总线接口)
3、不扩展时,可做一般的I/O使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
RST复位信号:
当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效,用以完成单片机的复位初始化操作。
XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。
当使用芯片内部时钟时,此二引脚用于外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时,用于接外部时钟脉冲信号。
VCC:
电源+5V输入
VSS:
GND接地。
2.3.2单片机外围电路
8051单片机单片机及其外围电路包括上电复位电路,晶振如图2.8所示,
图2.8单片机外围电路图
2.4充放电电路
2.4.1MOSFET
MOSFET为金属—氧化层—体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effecttransistor)。
MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。
对于这一部分的设计由充二极管D1、滤波电容C1、续流二极管D2、MOSFET管Q1、滤波电容C2、MOSFET管Q1等构成。
二极管D1是为了防反充,当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池的电压时,D1就生效。
通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM—脉冲宽度调制),就可以控制输出电压。
所使用的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,非常适合作控制充放电开关。
设计中采用IRF9540NP沟道MOSFET管,P沟道MOSFET的导通电压Vth<0,由下图可以实现MOSFET的驱动。
当光耦U5导通时,由于Q1的G极电压很小,G极近似接地,Vgs<0,当S极电压达到一定值时,Q1导通。
Q2的原理类似。
电路如图2.9
图2.9充放电电路
2.4.2光耦合器件
光耦合器件是由发光二极管(发光源)与受光源(如光敏二极管,光敏晶闸管或光敏集成电路等)封装在一起,构成的电—光—电转化器件。
根据受光源结构的不同,可以将光耦合器件分
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