1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 太阳能照明系统研究与开发 单片机系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在能源紧缺的今天 煤荒、电荒、燃油涨价、天然气紧缺 ,开发、推广可再生能源已成为热门话题 ,新型替代能源、可再 生能源前所未有地受到消费者的关注。随着经济的发展 ,社会的进步 ,人们对能源提出了越来越高的要求 ,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。本文对太阳能照明系统进行分析研究，实现了太阳能照明系统的应用。 本文对太阳能照明的的功能及其工作原理进行研究分析， 介绍了太阳能电池的基本原理、特性，以及 阀控
2、式铅酸蓄 电池 基本工作原理 、特性； 对实现太阳能电池最大功率点跟踪功能的电路进行总体设计；用功率比较法求取最大功率点，用以实现太阳能电池最大功率点的跟踪和控制。 关键词： 照明系统，太阳能电池，铅蓄电池，最大功率点 II Abstract Today is in the energy shortage ， such as Mei Huang, electricity shortage, fuel prices, gas shortage. Development, promotion of renewable energy has become a hot topic, new alter
3、native energy, renewable energy concerns by consumers as never before. With economic development, social progress, people are raised higher and higher energy demands, finding new energy sources become an urgent issue facing humanity. In this paper, analysis of solar lighting systems, solar lighting
4、systems to achieve the application. In this paper, solar lighting and the working principle of functional analysis, Introduces the basic principles and characteristics of solar cells, and VRLA basic working principle ,characteristics; Solar cells to achieve maximum power point tracking for the overa
5、ll design of the circuit; Comparison with the power to strike a maximum power point, to achieve maximum power point of solar tracking and control. Keywords: Lighting system, Solar cells, Lead-acid batteries, Maximum power point III 目录 摘 要 . Abstract . 第一章 绪论 . 1 1.1课题的背景和意义 . 1 1.2国内外的研究动态 . 2 1.3课题
6、研究的主要内容 . 3 第二章 太阳能电池及蓄电池 . 4 2.1太阳能电池的基本原理 . 4 2.2太阳能电池的特性 . 6 2.3阀控式铅酸蓄电池基本工作原理 . 9 2.4阀控式铅酸蓄电池特性 . 10 第三章 太阳能照明系统的总体设计 . 11 3.1太阳能 LED照明系统的基本结构 . 11 3.2控制器的整体结构 . 12 3.3太阳能 LED照明系统的总体设计 . 14 第四章 太阳能电池最大功率点跟踪电路设计 . 17 4.1 Cuk变换器工作原理 . 17 4.2 DC DC变换器主回 路的线路结构 . 21 4.3 DC DC变换器的驱动电路 . 23 4.4最大功率点跟踪
7、原理 . 25 4.5功率比较法的软件设计 . 26 设计总结 .28 参考文献 .29 致谢 .30 附录 .31 太阳能照明系统的研究与开发 单片机系统设计 1 第一章 绪论 1.1 课题的背景和意义 在能源紧缺的今天 煤荒、电荒、燃油涨价、天然气紧缺 ,开发、推广可再生能源已成为热门话题 ,新型替代能源、可 再生能源前所未有地受到消费者的关注。随着经济的发展 ,社会的进步 ,人们对能源提出了越来越高的要求 ,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点 ,太阳能被认为是 21世纪最重要的能源。 可再生能源是
8、指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源 ,对环境无害或危害极小 ,而且资源分布广泛 ,适宜就地开发利用。除太阳能以外 ,可再生能源主要还有风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。太阳能是可再生能源中的一种。太阳能是指太阳所负 载的能量 ,它的计量一般是阳光照射到地面的辐射总量 ,包括太阳的直接辐射和天空散射辐射。 当前 ,能源危机越演越烈。据统计 ,我国现有的空调如果同时全部运行 ,仅此一项就要耗电 90GW,几乎相当于 5座三峡电站的装机容量。如果为了满足用电的需求而一味地新建水电站或火电站 ,将会严重破坏生态环境 ;使本来已经储量不多的煤炭和石油快速耗尽 ,提前枯竭。
9、届时 ,人类如果尚未有效突破新型电能的供给技术 ,如核聚变发电、可再生能源发电等 ,人类的生存将会面临危机。目前 ,应对能源危机的主要途径 :一是有效节能 ;二是快速发展太阳能、风能等可再生的 自然能源发电技术。节约用电与用电设备和工程的节能设计 ,已成为当前社会发展的主题之一。可再生能源的利用已成为当务之急 1。 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的巨大能源。太阳注入地球表面的能量（热和光）密度，在转换为电功率后约为 1kW m2，总功率可达 1 25 108GW。太阳能发电站已从过去的人造卫星、无电区域照明、海洋灯塔等领域，扩大应用到电力工业。太阳电池（光伏电池）是美国于 1954年发明的，最
10、早是用于人造卫星。由于美苏进行宇宙开发竞争，太阳电池不断改进，但仍因价格高、能量转换效率低而不能广泛普及，地上应 用仅限于作为无人灯塔、无人中继站的电源。 LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪 80 年代末提出的新概念，我国“绿色照明工程”的实施始于 1996 年。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。 由于太阳能技术在过去 10 年来的大幅度提高，太阳能作为低功耗直流电源太阳能照明系统研究与开
11、发 单片机系统设计 2 已实现了实用化，成本大幅度降低。 LED技术和太阳能技术可以说 相得益彰，二者的结合可以在很大程度上摆脱对传统电源和人工维护等方面的依赖和由此带来的成本。使用太阳能 LED灯具有极高的社会效益和经济效益，可以免维护、节省能源和利于环保，同时具有高度的可靠性 2。 1.2 国内外的研究动态 太阳能发电技术的发展虽然已有半个世纪的历史，但是它的崛起和飞速发展却是最近几年的事。总的趋势是从小规模的民用到大规模电力工业应用，小的仅数 lOW，大的已达 6.5MW。 东南亚、非洲等地的尚未供电区域，已将阳光发电系统用作电灯和无线电的电源，太阳电池容量较小。如大洋洲和太平洋岛屿的基
12、里 巴斯共和国的太阳能发电装置只有 120W的太阳电池、 12V、 100Ah的蓄电池和充放电控制装置三部分组成，其中充放电控制装置却是最关键的部分。 叙利亚阿拉伯共和国的阳光发电系统，则是由太阳电池 (35kW)、蓄电池(240V、 1400Ah)及其充放电控制装置、逆变器 (30kW)、三相四线制配电线路 (220V)等部分组成。我国甘肃省榆中县的一座 10kW独立电源型阳光发电系统是由日本提供的全套设备，其中包括太阳电池、蓄电池、控制器、逆变器等。 1998年又在河北、内蒙、甘肃、新疆等地建设 14个 4kW的阳光发电系统 ， 1999年在宁夏、西藏等地建 4个 6kW的阳光发电系统，皆
13、由日方提供设备。 阳光发电系统主要是利用学校、体育馆、其它建筑物以屋顶、墙壁、商业街的拱廊、铁道的站台等以及其它现有地上设施装设太阳电池来发电的，如果这种阳光发电系统的屋顶装设增加到 1万座以上时便被列为大规模应用。比如日本的西条阳光发电系统容量为 1000kW，是由 1000kW的太阳电池、 500V直流母线、 3个逆变器 (分别为 200kW、 400kW和 400kW)、 6 6kV交流母线、 6 6kV配电线和 15MW的变电所组成。现在全世界已有 6个 MW级的而且已 经实现联网的阳光发电系统，其中最大容量为 6 5MW。日本于 2000年采用 50MW的大型阳光发电设备。 为了加速
14、太阳能的开发、应用，世界各国都制定了宏伟的发展计划，有的已接近于完成。阳光发电设备的装机容量方面，日本 2000年为 400MW， 2010年为4600MW，到 2030年将达到 40000MW，这相当于日本总装机容量的 11，超过了水力发电 (水电占 10 )。英国从 1994年起实施一项计划， 2000年达到装机 1000MW。奥地利从 1992年起以每年增加 10MW的速度在发展。瑞士从 1990年起计划实现 50MW 年的速度。德国 1990年起实施 1000座屋顶的计划。荷兰在 2000年装机达 250MW。美国从 1997年实施一项计划，到 2010年完成 100万座屋顶的阳光发电
15、设备 3。 太阳能照明系统研究与开发 单片机系统设计 3 1.3 课题研究的主要内容 市场上的太阳能 LED照明系统主要关注的是系统效率和可靠性等问题。其中提高效率包括如下手段：使太阳能电池或方阵的输出功率最大，出于经济方面的考虑，在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法；采用高效的蓄电池充电策略。 为了提供稳定、高效的电光源，从而满足道路交通照明的要求。本文研究太阳能最大功率跟踪 MPPT原理 ，其本质上是一个作为功率调节的 DC DC变换器。它利用晶体开关管工作在开关状态，将太阳能电池阵列的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池的等效负载。 DC DC中的开关调节
16、通常采用脉宽调制的方法，它与太阳能电池板串联，通过改变 PWM波的占空比来控制充电电压，从而实现最大功率跟踪。 论文主要包括以下几个方面：首先，对太阳能 LED照明系统的功能及其工作原理进行研究与分析，对实现太阳能电池最大功率点跟踪功能的电路进行总体设计；采用功率比较法求取最大功率点，用以实现太阳能电池最大功率点的跟踪和控 制：从照明光源、控制电路、太阳能电池组件和蓄电池容量确定、太阳能电池最大功率的转化等方面对太阳能 LED照明系统进行设计。 一般的太阳能 LED照明系统如下图 1-1所示，其实质是一个小的独立照明系统，主要由几大部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制器、 LED光源 4。 图
17、 1-1 太阳能 LED照明系统结构图 太阳能电池 控制器 LED 光源 蓄电池 太阳能照明系统研究与开发 单片机系统设计 4 第二章 太阳能电池及蓄电池 2.1 太阳能电池的基本原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转化为电能。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到 光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。图 2-1为太阳能电池的单元模型和外观。 图 2-l太阳能电池的工作原理 太阳能照明系统研究与开发 单片机系统设计 5 可将半导体太阳能电池的发电过程概述如下：首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。太阳 能电池吸收具有一定
18、能量的光子，激发出非平衡载流子 电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 PN结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在 PN结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。在太阳能电池 PN结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能 5。 图 2-2光照时太阳能电池的电路图 图 2-3光照时太阳能 电池的等效电路图 太阳能电池的电路如图 2 2所示，等效电路图如图 2-3所示，其中 RL中为电池的外负载电
19、阻。当 RL=0时，所测的电流为电池的短路电流 Isc，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。当RL趋于无穷时，所测得的电压为电池的开路电压。 所谓开路电压 Uoc，就是将太阳能电池置于 100mW cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值 ID(二极管电流 )为通过 PN结的总扩散电流，太阳能照明系统研究与开发 单片机系统设计 6 其方向与 Isc相反。 Rs为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。 Rsh为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电
20、阻 Rs很小，而并联电阻 Rsh很大。由于 Rs和 Rsh是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路设计时 ,它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流 IL为 : IL = ISC-ID （ 2-1） 理想的 PN结特性曲线方程为： IL = ISC-ID (equ/AKT -1) (2-2) 式中 ID 太阳能电池在无光照时的饱和电流， A； Q 电子电荷， C； K 玻尔兹曼常数； T 热力学温度， K； A 常数因子 (正偏电压大时 A值为 1，正偏电压小时 A值为 2)； e 自然对数的底。 当 IL=0时，电压 U即为 UOC可用下式表示： UOC = AKT /q （ ISC/ ID +1） (4-3) 2.2 太阳能电池的特性 根据 (2-2)(2-3)两式作图，及坐标变换可得到太阳能电池的电流二电压关系曲线，如图 2-4所示这个曲 线，可简称为 I U曲线，或伏安特性曲线。
