1、本科生毕业设计（论文）I摘 要进 入 二 十 一 世 纪 ， 人 类 面 临 着 实 现 经 济 和 社 会 可 持 续 发 展 的 重 大 挑 战 ， 而能 源 问 题 日 益 严 重 。 太 阳 能 被 看 做 是 最 具 有 代 表 性 的 新 能 源 和 可 再 生 能 源 。因 此 ， 光 伏 发 电 系 统 对 解 决 能 源 问 题 起 到 非 常 积 极 的 作 用 ， 近 年 来 发 展 迅 速 。本 设 计 重 点 针 对 光 伏 发 电 装 置 中 蓄 电 池 充 放 电 控 制 模 块 和 逆 变 器 模 块 进行 了 细 致 科 学 的 设 计 ， 此 外 ， 论 文
2、 内 容 对 CPU最小系统设计、D CDC及 DCAC转 换电路设计、指示电路部分的设计也进行了详细说明。并针 对 目 前 市 场 上 传统 充 电 控 制 器 对 蓄 电 池 的 充 放 电 控 制 不 合 理 ， 同 时 保 护 也 不 够 充 分 ， 使 得 蓄 电池 的 寿 命 缩 短 这 种 情 况 ， 研 究 确 定 了 一 种 基 于 单 片 机 的 太 阳 能 充 电 控 制 器 的 方案 。 逆 变 环 节 采 用 SPWM调 制 方 式 ， 简 化 了 驱 动 电 路 设 计 。 软 件 设 计 中 ， 采用 瞬 时 电 压 反 馈 ， 增 加 了 电 路 保 护 等 功
3、 能 ， 论 文 阐 述 了 软 件 设 计 总 体 思 想 构 架 ，给 出 了 程 序 代 码 和 系统各部分控制流程图。 最 后 ,经 过 仿 真 软 件 进 行 整 体 系 统仿 真 ， 基 本 达 到 性 能 要 求 ， 具 有 实 际 应 用 意 义 。本 设 计 着 重 在 太 阳 能 对 蓄 电 池 的 充 放 电 方 式 、 控 制 器 的 功 能 要 求 和 实 际应 用 方 面 做 了 一 定 分 析 ， 完 成 了 硬 件 电 路 设 计 和 软 件 编 制 ， 实 现 了 对 蓄 电 池 的高 效 率 管 理 ， 具 有 创 新 意 义 。关 键 词 ： 太 阳 能
4、； 光 伏 发 电 ； 蓄 电 池 ； 控 制 ； 逆 变 器 ；本科生毕业设计（论文）IIAbstractEntering the 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious. And solar power are considered the most representative of new and renewable energy
5、， The power technology of solar energy and wind attack worlds attention. Therefore, the photovoltaic power generation system plays a very positive role in solving the energy problem, and has developed rapidly in recent years.The paper of the key for photovoltaic power generation device battery charg
6、ing and discharging control module and the inverter module of scientific and meticulous design, in addition, the content of minimum CPU system design, DCAC and DC-DC conversion circuit design, indicating the part of the circuit design were also described in detail. And in view of the present market
7、conventional charge controller of battery charge and discharge control unreasonable, and protection is also inadequate, making the life of the battery relationship that, the study identified a scheme based on MCU solar charge controller, inverter using SPWM modulation method, simplifying the drive c
8、ircuit design. Software design Meter, the instantaneous voltage feedback circuit protection function has been added, thesis describes the overall framework of software design, given the various parts of the program code and the system control flow chart. Finally, through the software simulation of t
9、he whole system simulation, can satisfy the basic performance requirements, has the practical application significance.This paper mainly in the solar battery charge and discharge mode, the functional requirements of the controller and the practical application aspects do analysis, completed the hard
10、ware circuit design and software development, realize the efficient management of the battery, having the meaning of innovation.Keyword: pv power; photovoltaic power generation; battery; control; inverter；本科生毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 太阳能的应用及特点 .11.2 研究背景及意义 .21.3 光伏发电系统概述 .41.3.1 离网型光伏发电系统 .6第 2
11、 章 光伏发电系统整体结构 .82.1 光伏发电系统整体结构 .82.2 太阳能电池板 .92.3 功率变换器 .102.3.1 变换器的种类 .102.3.2 光伏发电系统中变换器及其作用 .102.4 储能元件单元 .112.4.1 储能元件的分类 .112.4.2 储能元件的作用 .12第 3 章 电池板及蓄电池的参数计算与选择 .143.1 太阳能电池板参数计算及选择 .143.2 蓄电池参数计算及选择 .163.2.1 铅酸蓄电池的充电特性 .163.2.2 铅酸蓄电池的放电特性 .183.2.3 铅酸蓄电池充电方式 .19第 4 章 蓄电池充电控制器的设计 .234.1 系统层次原
12、理图 .234.2 单片机最小系统 .244.2.1 数据存储器扩展 .264.2.2 复位电路设计 .274.2.3 时钟电路设计 .274.2.4 CPU 最小系统图 .284.3 充放电电路 .284.4 光耦驱动电路 .294.5 AC/DC 转换电路 .304.5.1 ADC0804 的简介 .304.6 LCD 显示电路 .33本科生毕业设计（论文）IV4.7 串口通信电路 .344.8 太阳能充电控制器的软件设计 .36第 5 章 变换器主电路设计 .375.1 几种变换器的特点 .375.2 MPPT 控制电路 .395.3 升压变换器 .405.3.1 DC/DC 升压变换器
13、的选择 .405.3.2 推挽电路的基本原理 .415.4 逆变电路 .415.4.1 逆变器的选择 .415.4.2 全桥逆变模块 .425.4.3 全桥逆变器控制技术 .425.5 控制芯片 .435.5.1 PIC16F73 供电电源 .435.5.2 时序和死区电路 .445.5.3 光耦隔离电路 .445.5.4 电压反馈检测电路 .455.6 PWM 控制电路系统图 .46参考文献 .47致 谢 .48附 录 .49本科生毕业设计（论文）0第 1 章 绪 论1.1 太阳能的应用及特点世界经济的快速发展，与化石能源息息相关，能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。能量遵循守衡定律，它
14、不会产生也不会消失，只能从一种形式转化为另一种形式。在经济快速发展的 21 世纪，能源却在迅速枯竭。工业生产对化石能源需求量的日益增加与其储存的逐渐减少所引起的结构性矛盾日益成为能源安全所面临的最大难题。根据社会经济学家和科学家们对形势的估计，全球石油储量约有一千亿吨到一千五百亿吨，以 1995 年的年开采量 33.2 亿吨估算，石油将在 21 世纪中叶全部用完。天然气储备大约在十三万至十五万兆立方米范围内。如果假设年开采量恒定在 2300Mcm3，也将在六十年左右内全部用完。煤炭是传统化石能源里存储量较多的，全球总共约有 5600 亿吨。若煤炭的年开采量，按照 1995 年统计的 33 亿吨
15、计算，大约可以还维持 169 年。如果那个时候新的能源体系尚未建立，能源危机将席卷全球，而且越是依赖于化石资源的国家，受害就越严重。能源的供应不足，必然引起经济上的大幅衰退和各国之间的冲突。近10 年来，因为化石能源而频繁引发战争就是证明，每一次战争都牵扯到能源的重新分配。如果不从根本解决能源问题，这种全球性质的战略冲突，今后还会发生。总而言之，能源危机一触即发。 我国技术可开发能源蕴藏量见表 1.1。由表 1.1 可以看出，即使将太阳能以外的所有可再生能源加在一起，也不能满足我国未来对太阳能的需求。太阳能作为清洁的可再生能源即将代替常规能源，成为拯救经济发展的“救星” 。表 1.1 我国可开
16、发资源蕴藏量目前我国正在工业化和城市化的加速阶段，经济发展带来的一系列的能源问技术可开发资源种类 蕴藏量生物质能（年产量） 10.0 亿吨标准煤水能 5.4 亿千瓦风能 陆上和近海总计 712 亿千瓦太阳能 960 万平方公里接收太阳能辐射能 17000 亿吨标准煤本科生毕业设计（论文）1题和环境问题，正严重威胁着我国经济的可持续发展，资源有效利用与经济发展、环境污染与国民生活质量之间的协调发展是我国现阶段需要合理处理的事情。这些都在提醒着我国政府，加大改革力度，在合理利用已有资源的基础上， “政府支持”尽快开发新能源，实现“绿色循环体系” 。 太阳能具有以下明显的优点： 能源清洁：不会对环境
17、产生负面影响，不会像燃烧化石能源那样，向大气排放量废气和颗粒物，造成雾霾天气和燃料废渣的大量堆积，影响环境质量； 能量“之不竭”：太阳光是个源源不断的可再生能量，在人类出现之前就在发光发热，给地球带来光明，据科学家的推断，太阳至少还有四十多亿年的寿命；能源“随处可得”：基本上不受地域限制，有光照的地方就有太阳能；可就近供电,不必长距离输送, 避免了输电线路上的电能损失,而且能提高整个能源系统的安全性和可靠性；发展前景好：随着能源危机的越演愈烈，世界各国都在着力开发新能源，随着研究的深入和科学技术的进步，光伏发电装置的转换效率会越来越高，而且太阳能的开发和利用只需要装置和技术的支持，不需要能源成
18、本，因此具有很好的经济性。 这些优势使得光伏产业具有巨大的发展潜力，但是能量密度低，容易受气象条件影响的缺点使得太阳能的综合利用受到一定程度的限制。为了更好的利用太阳能，对光伏发电系统的研究具有深远的意义。1.2 研究背景及意义电能是社会发展和经济建设的重要保障，它和高科技的紧密结合创造了丰富多彩的人类生活，同时电能的广泛应用也导致全球范围内的电力供应不足现象频繁出现。从世界范围内来看，火力发电是目前发电的最主要形式，但是由于石油、天然气、煤炭等化石燃料的大量燃烧，不仅带来了能源枯竭问题，也使环境污染，尤其是大气污染问题日益严重。从 2013 年年初开始，PM2.5 这个词汇不断被人们所关注，
19、恶劣的雾霾天气已经影响到我国的绝大多数城市，而且在 2014 年又有加重的趋势。为了缓解经济增长、能源短缺以及环境污染之间的矛盾，我国政府相关部门出台了很多政策，比如提高能源利用率、搬迁高污染行业、完善各区域间大气污染联控机制等。但是从实施效果上来看，这些措施都是治标不治本，只有转变目前能源的使用方式，大力发展和普及太阳能、风能等清洁能源，彻底改变以化石能源为主的能源结构，才能从根源上缓解能源短缺和环境污染问题，本科生毕业设计（论文）2进而消除电力供应不足和大气雾霾等现象。此外，一些技术落后的电厂设备和年代陈旧的输电网络已经无法满足目前持续增加的电能需求，供电过程中的安全性和供电质量也达不到较
20、高的水准。在这种情况下如果以新能源的开发利用为切入点来改变传统的用电模式不失为一种很好的选择。在目前被人类成功利用的新能源家族中，分布最广且资源最丰富的是太阳能，大力推广以光伏发电为主的太阳能发电技术是符合可持续发展方针的重要举措。从 1954 年美国科学家在贝尔实验室中首次成功研发单晶硅片光伏电池，到后来光伏电池在航天工程中的大范围使用，再到今天的光伏一体化建筑(BIPV)，光伏产业的发展已经走过了六十多年的历程。光伏发电凭借其无污染、安全隐患小、使用时间长和运行维护量少等许多优点，被认为是新时代中最具发展潜能的发电模式。最近二十年是世界光伏产业的飞速发展期，在美国、日本、德国等国家推出一系
21、列光伏推广计划后，光伏产业一直保持着年均 30%以上的增长速度，据欧洲光伏行业协会（EPIA）最新公布的全球光伏发电系统情况报告显示，截止2013 年底的全球累计光伏装机容量已达 136.7GW。据欧委会联合研究中心(JRC)预测，光伏发电量所占世界总发电量的比例到 2030 年可达 10%以上，到 2100 年可占 68%的份额，从而使能源构成比例产生颠覆性的变化。 光伏装机容量的迅猛发展离不开光伏发电技术的发展。现在国际上对光伏发电技术的研究侧重于高效稳定且成本低廉的光伏直流变换器、光伏并网逆变器以及分布式光伏发电应用技术等方面。依托于光伏屋顶计划和国家法规的支持，许多欧美发达国家相继成功
22、研发了针对不同场合的光伏发电装置。与世界光伏产业的蓬勃发展相比，我国的光伏产业才起步不久，而且相关政策的不健全使得我国的光伏发电工程存在应用面窄、技术不规范和闲置率高等问题。另外，我国的光伏板制造产业从 2012 年开始进入冬天，欧美对我国光伏厂商制定的双反政策使得国内生产的大部分光伏电池都无法出口，而此时国内滞后的光伏发电市场又不能消化如此高的产能。因此，为了促进我国光伏产业的发展，我国一方面要完善光伏发电政策来扩大国内市场，另一方面要大力推进光伏应用技术研发来保证光伏发电项目的顺利开展。 目前的光伏发电系统主要有并网和离网两种形式。从长远发展来看光伏并网发电形式是光伏发电应用的趋势，但是目
23、前光伏并网发电成本过高，而且电网对光伏电能的收购政策还不完善，使得并网发电无法大规模推广。相比之下，离网发电形式因具有安装方便、不受电网政策限制、成本相对较低等特点而同样具有广阔的应用前景。离网光伏发电系统对家庭用户和远离公共电网的无电区以及一些特殊场所有本科生毕业设计（论文）3极其特殊的意义，本文将要研究的离网型光伏发电装置首先可以为不在电网供电范围内的居民解决用电问题，从而改善他们的生活条件、提高生活品质。其次，有电网覆盖的区域也可以采用此系统来缓解用电高峰时的电网压力，做到绿色能源的良好利用。在产品创新方面，本论文将蓄电池充电技术与正弦波逆变功能相结合，并引入能量管理策略设计了离网型光伏
24、发电系统，目前市场上同类产品较少，有一定的市场潜力。1.3 光伏发电系统概述20 世纪 90 年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004 年累计容量达 35MW，约占世界份额的 3%。10 多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场 1%左右的份额。到 2020 年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010 年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到 2010 年将约为 1.20 元/(kWh) ；20
25、10-2020 年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到 2020 年将约为 0.60 元/(kwh)。到 2020 年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，
26、将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点(l)取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为 1.071014GWh/年，是全球能量年需求的 35000 倍，可以说是一种无限的资源。(2)无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。(3)资源分布广泛。不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本科生毕业设计（论
27、文）4本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。(4)建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。(5)光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省
28、发电站使用的土地面积和费用。(6)分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量; 当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能
29、光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能; 而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。虽然我国光伏产业多年来实现了长足的进步，但不可否认的是，我国的光伏产业也存在不容忽视的技术不高、环境较恶劣和市场风险等缺点和难题；近期在国内光伏市场额应用方面也面临成本高、上网难、缺乏经验等障碍。我国光伏产业的缺点如下：1、国内光伏技术总体的技术水平不高、内在竞争力不强。由于我国光伏产业发展历史短，主要方向放在生产组件方面而基础研究工作薄弱，导致目前我国光伏技术总体水平仍然不高，太阳能电池及其组件的效率和质量水平仍然普遍落后于世界先进水平，在新型高效的太阳能电池和高纯硅生产技术的研究开发方面也落
30、后于欧美等发达国家，许多装备主要依赖国外引进。目前我国太阳能光伏产业仍主要依靠市场驱动而非技术驱动，缺乏强大的内在竞争力。2、产业和市场发展不平衡，不利于产业的持续稳定发展和节能减排。在过去的几年内，我国光伏产业界慧眼如炬，抓住了欧美国家光伏市场快速增长这一机遇，利用了国内资源和人力成本较低的优势，实现了迅速起步与不断的发展壮大。但由于近年来全球光伏产业的产能过快扩张及金融危机的负面影响，未来两本科生毕业设计（论文）5年内世界光伏组件和高纯硅材料市场势必供过于求，这将使得光伏产业面临大规模洗牌的局面。所以我国光伏企业近期来已普遍停止扩产、削减产量。在这个洗牌过程中，利润率最高的环节也将逐渐转向
31、下游的光伏发电运营业，使得出售光伏电力比出售光伏组件和系统具有更长远稳定的回报，这也是传统光伏产业界和光伏设备制造业日益重视、极力呼吁启动国内光伏市场的根本原因。目前这种产业和市场格局意味着我国光伏产业面临着日益突出的市场风险。而广受争论的光伏产业的高能耗问题，其实质问题也在于产业和市场发展不平衡，即取决于国内光伏产业链建设和国内外市场的选择。3、光伏产业在近期仍缺乏足够经济竞争力。有赖于政府政策扶持最近数十年全球光伏市场的重心随着各国光伏市场政策的变化而先后从美国(1996 年以前)转移到日本(19962002 年)和欧盟(2002 年以来) ，即充分反映了全球光伏市场的需求主要是由扶持政策
32、推动的。目前我国还未制定比较系统完善的光伏发电经济激励政策，电价有待于加快制定必要适度的财政补贴和优惠上网电价扶持政策。当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20 世纪 80 年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以 10%-15%的递增速度在发展。90 年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1.4 本文研究内容本 文 主 要 对 光 伏 发 电 装 置 中 蓄 电 池 充 放 电 控 制 模 块 和 逆 变 器 模 块 进 行 了细 致 科 学 的 设 计 ， 此 外 ， 论 文 内 容 对 CPU 最小系统设计、D CDC 及 DCAC转 换电路设计、指示电路部分的设计也进行了详细说明。具体内容如下：1) 控制器总体方案：利用结构框图说明系统组成2) 太阳能电池板充电接口设计3) DCDC 及 DCAC 转换电路设计：逆变功率达到 2kW。4) 蓄电池充放电保护电路设计：防止蓄电池过充、过放影响其使用寿命。5) CPU 最小系统设计：采用单片机、或嵌入式控制器进行充放电管理。6) 指示电路：利用液晶屏和少量发光二极管指示蓄电池充、放电的电流电压状态。7) 软件设计：系统各部分控制流程图和具体程序的编写。
