太阳能控制器设计.docx

1、太阳能控制器设计毕 业 论 文题 目： 太阳能充电器控制设计 学 院： 新能源工程学院专业名称： 光伏材料加工与应用 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业

2、设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月

3、日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要 3Abstract4绪论 50 引言 51 太阳能电池的基本原理 6 2太阳能电池的输出特性 73 最大功率跟踪原理及算法 9 1）最大功率原理102）最大功率点的搜索 104 蓄电池充电效率分析 125 太阳能充电系统效

4、率分析 12 1) 电能系统分析13 2) 太阳能充电系统效率分析 13 3）最大效率设计原则146系统整体结构设计 14 7 太阳能控制器结构 158 太阳能控制器电路分析 179 系统软件设计21参考文献23 致谢24 太阳能充电控制器设计 摘要 近年来再生能源技术广受重视,而太阳能发电由于有先进的电力电子技术辅助,已成为极具潜力的再生能源之一。文章介绍了太阳能电池的基本原理和伏安特性,并且对蓄电池及充电系统进行了分析，得出充电效率的影响因素， 采用MPPT(最大功率点跟踪法)技术，从而达到阵列与负载的最佳匹配,以提高系统的效率,。本文提供了一套24V/5A太阳能控制器的电路，该电路采用低

5、功耗的单片机P87LPC767作为控制回路的核心,实时测量蓄电池的端电压,通过脉宽调制控制太阳能电池阵列的充电电压,并通过功率管控制蓄电池与负载的通断,实现对蓄电池的放电保护。关键词:光生伏打效应 太阳能电池阵列MPPT 最大功率点跟踪法逐步逼近法 充电效率 太阳能控制器 蓄电池 P87LPC767 DC-DC转换 Abstract In recent years, renewable energy technology is widely regarded, and solar power with advanced power electronic technology assistanc

6、e, has become a potential one of renewable energy. This paper introduces the basic principle of solar cells and current-voltage characters, and the battery and charging system is analyzed and the influence factors of charging efficiency, the MPPT (the maximum power point tracking method) technology,

7、 so as to achieve the best match array and load, in order to improve the efficiency of system,. This paper provides A set of 24 V / 5 A solar controller circuit, this circuit with low power consumption of the single chip microcomputer as the core of the P87LPC767 control circuit, real-time measuring

8、 voltage of the storage battery, through the pulse width modulation control of solar array charge voltage, and through the power tube battery and load control the hige, realize the battery discharge protection.Keywords: pv solar array effect MPPT tracking method of maximum power point gradually appr

9、oximation method charging efficiency solar controller battery P87LPC767 DC-DC conversion 绪论据专家介绍，太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大的能量。太阳内部的热核反应足以维持年，相对于人类发展历史的有限年代而言，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。随着能源价格长期居高不下以及环境保护日益受到重视，开发和利用太阳能已成为世界发展迅速的一个产业，平均年增长达到。太阳能发电是一种清洁型能源系统，且几乎适用于任何地方大型建筑物、工厂、空地和住宅楼。商业和个人用户都能享受到太阳能发

10、电的好处。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。在我国西藏地区有多个无水能资源无电县采用光伏电站供电，社会经济效益非常显著。中国人口众多，相对资源匮乏，但中国的太阳能资源丰富。据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国有荒漠面积万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区。平方公里面积可安装兆瓦光伏阵列，每年可发电亿度，如果开发利用的荒漠，就可以发出相当于我国年全年的耗电量。另外，在我国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在小时以上，海南更是达到了小时以上，中国利用太阳能具有广阔的前景。然而，比发达国家对太阳能

11、的利用，我们做的远远不够，差距主要在产业规模和政策支持上。各国在促进可再生能源发展上重要的一项经验就是，太阳能光伏技术的推广，迫切需要政府的支持和投入。目前，日本和德国是利用太阳能最多的两个国家，两国政府都在斥巨资购买或推广现今最为清洁、安全的能源。诺贝尔环境奖获得者马丁格林教授说：“政府的力量是决定这一能源能否在该国普及的关键因素。”0 引言步入21世纪,随着工业生产的发展,世界能源问题越来越紧迫。能源问题位居世界十大焦点问题之首。据估计,我国的常规能源将在百年之内全部耗尽,开发和利用太阳能等新能源成为一项非常重要而紧迫的任务。光伏发电具有传输方便的特点,在通用性、可存储性等方面具有光热利用

12、和光化学转换利用无法替代的优势。且太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降,使光伏电池用于偏远无电地区的中小功率离网用户成为可能。我国西部地区地广人稀,大部分地区远离大电网,用电人口也较为分散,能源问题成为制约这些地区发展的关键问题。为远离大电网的家庭用户提供恒定电压和频率电力的成本很大,典型的做法是使用安装成本较低但运行成本很高的柴油发电机组,这种做法效率低而且维持费用较高,也会带来噪声和大气污染。采用太阳能户用系统能很好地解决上述问题。太阳能发电的主要优点在于：太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要

13、调整。现在只要将屋顶上排满太阳能电池，就可以实现家中用电的自给。现今太阳能的主要用途已不再是小规模的，从性质上来说，是专业化的。它从军事领域、通信领域到城市建设领域等都起到了重大的作用。委内瑞拉还推出廉价太阳能车、欧洲科学家研制出轻便的可穿在身上的太阳能电池。目前,太阳能的利用存在着巨大的发展空间，有关的技术有可能在短时间内实现突破。它已被许多发达国家作为其能源战略的一个重要组成部分。1 太阳能电池的基本原理当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化会产生电动势和电流,这种现象称为光生伏打效应。该效应在液体和固体物质中都会发生,但只有在固体中,尤其是在半导体中,才会有较高的转换效率。太阳能

14、电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件,当太阳光照射到半导体P-N结时,会在P-N结两边产生电压,使P-N结短路,就会产生电流。这个电流随着光的强度的加大而增大,当接受的光的强度一定时,就可以将太阳能电池看成恒流源。2 太阳能电池的输出特性对于太阳能电池方阵而言,应按照用户的要求和负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定,应考虑蓄电池的均浮充电压,线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流,该数值再结合负载电流,可决定太阳能电池并联数。图1 太阳能电池输出特性太阳能电池的输出特性如图1所示, 太阳能电池的输出

15、伏安特性曲线 是进行系统分析的最重要的技术数据之一。从图中可以看出,太阳能电池的伏安特性具有强烈的非线性。在光伏系统中,负载的匹配特性决定了系统的工作特性和太阳电池的有效利用率。要想在太阳电池供电系统中得到最大功率,必须跟踪日照强度和环境温度条件,不断改变其负载阻抗的大小,从而达到阵列与负载的最佳匹配,以提高系统的效率,该方法称为MPPT(最大功率点跟踪法)。 3 最大功率跟踪原理及算法1）最大功率原理在一特定的环境下，太阳能电池发电的U-I特性和P-I特性曲线如图1所示。 太阳能阵列输出功率表达式为：P=U*I （1）由太阳能输出功率特性曲线可知，在dp/dv=0处，即为最大功率点。由式（1

16、）和太阳能阵列的输出特性曲线可知：dp/dv0 系统运行在最大功率的左边dp/dv f ( e) 叫做欠负荷,fmax ( e) = f ( e) 叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的Eg fmax ( e) ,这种情况下仍然有式(1) 成立,但此时并不能完全满足负载所需要的电能,因此,在这时负载系统所得到的电能小于实际需要,而发电设备输出的电能等于fmax ( e) 。2) 太阳能充电系统效率分析 在太阳能充电系统中,为了尽量提供充电能力和效率,必须把充电系统划分为两个部分,一个是充电电路,一个是控制电路,这两个电路都会消耗电能。对于充电电路,这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗,对

17、于控制电路,这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知,太阳能充电系统中,为了尽量提高充电效率,应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。设充电电路的功率损耗为Pcp ,控制电路的功率损耗为Pctr ,电池吸收的功率为Pb 则根据能量守恒,得到Pl = Pcp + Pctr + Pb (3)其中Pl =dEg/dt是充电系统的输入功率。由此 Pl =dEg/dt=df ( e)/dt=Pcp +Pctr +Pb (4)根据式(3) 可得到充电系统的效率为( e) =Pb/Pl=（Pl - Pcp Pctr）/Pl=（Pl -Pcp Pctr）/（dEg/Pdt） (5)把式(2)

18、带入式(5) ,( e) =（Pl - Pcp Pctr）/（dEg/Pdt）=(Pl - Pcp Pctr)/(Pf ( e)/dt) 如果考虑满负荷工作,( e) =(Pl - Pcp Pctr)/(dEg/dt)=(Pl -Pcp Pctr)/(dfmax ( e)/dt) (6)式(6) 指出,充电效率与以下因素有关:充电电路和控制电路损耗;太阳电池的输出功率3）最大效率设计原则由以上分析可知,为了保证充电效率,太阳能充电系统必须满足:充电电池必须保证功率吸收能力;尽量减少充电电路和控制电路的损耗;选择合理的太阳能电池转换输出能量6 系统整体结构设计针对太阳能电池板输出电压、功率的变化

19、性以及提高铅酸蓄电池充电效率的方法的分析,我们选择了DC-DC 转换模块与充电管理模块相配合为蓄电池充电的方式。系统整体结构如图3所示。 图3 系统整体结构太阳能电池板受其接受太阳光的影响,输出为呈显著变化的直流电压,经DC-DC 转换模块将其转换为蓄电池充电所需要的稳定电压,再经过电路的合理调整,使其输出为合适的电脉冲,并经充电管理模块的可靠保护对蓄电池进行充电。7 太阳能控制器结构图4为简易太阳能控制器电路结构图,蓄电池和太阳能电池阵列直接耦合,当白天有阳光时,太阳能电池阵列向蓄电池充电,控制电路测量蓄电池端电压,通过调整DC/DC中功率管的占空比,使得太阳能电池阵列的输出电压高于铅酸蓄电

20、池的端电压,同时蓄电池通过负载放电。当夜晚或阴天阳光不足时,蓄电池放电,保证负载不停电。在充电过程中,蓄电池两端电压Vb从高到低或从低到高地不断变化,其伏安特性可表示为:V=Vb+I Rb （7）V为蓄电池的电动势;Rb为蓄电池的内阻,通常Rb的值很小,可忽略不计,则蓄电池模型可处理为:V=Vb=常数若设定蓄电池在充放电过程中其端电压Vb的最大值和最小值分别为Vmax和Vmin,则在蓄电池工作期间,其端电压应在Vmax和Vmin之间变化。图4 太阳能控制器电路结构蓄电池的输入特性如图5曲线(a),太阳电池特性曲线如图5中曲线(b)。图5中,蓄电池的输入特性曲线接近太阳电池方阵的最大功率线,两者

21、本质上具有良好的匹配特性。因此,若是在小型的户用系统中要合理选择太阳电池的串并联数,使阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压,就可以获得蓄电池和太阳电池方阵之间的电压最佳匹配,从而省去MPPT和CVT控制器,降低系统成本,提高系统的可靠性,有利于小型户用系统的推广应用。图5 太阳能电池阵列和蓄电池直接耦合图8 太阳能控制器电路分析图6太阳能控制器主回路电路图 图6为24 V/5 A太阳能控制器主回路电路图。该控制器采用单路旁路型充放电控制器形式，即MOSFET管S1并联在太阳能电池阵列的输出端，当蓄电池端电压充到均充电压值时，S1进入脉宽调制状态，避免蓄电池过充。 图6中Vin+和

22、Vin-连接太阳能电池阵列的输出，Vout+和Vout-连接直流负载，VB和GND连接铅酸蓄电池的正负两端。 D1为“防反充二极管”，只有当太阳能电池方阵输出电压高于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“防反向充电保护”作用。 D2为“防反接二极官”，当蓄电池极性接反时，D2导通，使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速使保险丝F1。烧断，起到“防蓄电池反接保”作用。 MOSFET管S2为蓄电池放电开关，在铅酸蓄电池放电时，从保护蓄电池的角度出发，当蓄电池电压小于“过放电压”时，S2截止，切断蓄电池和负载的回路，进行“过

23、放电保护”，避免电池放空，损坏蓄电池。当太阳能电池阵列重新供电，只有当蓄电池电压重新升到浮充电压时，S2才重新导通，接通负载回路。 需要指出的是，当控制电路切断负载回路后，控制电路仍然要消耗蓄电池能量，因此控制电路要尽量减少电子元器件以降低功耗出于此目的，该电路采用PHILIPS公司的单片机P87LPC767作为CPU。该单片机是20引脚封装的单片机，基本结构与51系列兼容，适合于许多要求高密度、低成本的场合。其内含4KB的OTP程序存储器和128B的RAM并且内置4路8位A/D转换器。尤其是工作在100 kHz4 MHz，电源电压为3.3V时，其功耗电流仅为0.0441.7 mA，非常适合蓄

24、电池供电的系统.受体积和成本的限制，以单片机为核心的控制电路电源直接通过蓄电池端电压变换得来，该电路通过图4中的LM317三端可调稳压器变换出单片机的电源电压，控制电路与主回路共地。LM317为三端可调正压稳压器，其输电压范围为1.257 V，只图7 单片机电源变换电路需2个外接电阻即可设置输出电压。 LM317的输出端VOUT和调整端adj之间提供1.25V的基准电压VREF，输出电压满足式(8)。VOUT=VREF（1+R1/R2) (8)由于LM317的输人和输出电压差为40V，而对于24V的太阳能控制器，太阳能电池阵列的开路电压有可能达到50V，为避免瞬间过压，在LM317输人端并接稳

25、压管D进行保护。图8为单片机P87LPC767的管脚连接图。电路中单片机的主要功能就是测量蓄电池端电压，进而控制S1和S2的导通状况，保证电路的稳定运行。由于P87LPC767自带8位AD.单片机又与主回路共地，因此采用直接电阻分压测量即可，即电路图5中的VADT。 当该控制器负载为路灯时，应具备光控功能，即有太光时，S2截止;夜晚或阴雨天光线不足时，S2导通，路灯照明。由于光线不足时，太阳能电池阵列的输出电压下降显著，因此可通过对其输出电压.进行分压测量(VAD2)，判断光线情况，作为S2导通和截止的一个判断依据。图8 P87LPC767管脚连接图 P87LPC767使用P 1.7 (Fzs

26、)和P1.6(PWM)作为两个MOSFET的栅极控制信号。以S1的控制为例，当P1.6输出高电平时， MOS管S1导通，S1栅极驱动信号Vad1，被拉低，S1截止。如图9所示。由于MOSFET的栅极驱动电压不能超过20 V，因此当P1.6输出为低电平时，Vs截止，蓄电池电压经R9和R,3分压后产生S1的驱动信号。S1和S2在主回路中的连接方法可解决其驱动共地问题图9 MOSFET的驱动电路 图10 蓄电池容量指示驱动电路控制器还配置了蓄电池放电容量指示灯，如图10所示。4个发光二极管分别对应蓄电池容量的100% ,75% ,50%和25%, P87LPC767测量蓄电池端电压后，根据其数值决定4个发光二极管的亮灭情况。需要指出的是，当蓄电池充电时，其端电压与容量m没有直接关系，发光二极管的指示没有实际意义，只有当蓄电池放电时，其端电压可以在一定程度上反映电池容量例如若12V的蓄电池端电压下降到10.8V时,则可认为其容量为0。9系统软件设计根据系统的工作过程和设计需要,为提高软件的可读性和编程效率,采用模块化编程,C 语言描述,主要包括主程序