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太阳能充电器电路设计毕业论文

太阳能充电器电路设计毕业论文

摘要III

ABSTRACTIV

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.1.1能源危机及环境污染问题1

1.1.2太阳能的开发和利用2

1.1.3我国太阳能的资源状况3

1.2国外光伏发电产业现状与市场需求3

1.2.1国外光伏发电产业现状3

1.2.2光伏发电市场需求4

1.3光伏系统的工作原理与组成5

1.3.1光伏系统的工作原理5

1.3.2光伏系统的组成5

1.4本章小结6

第二章太阳能电池和单片机6

2.1太阳能电池6

2.1.1太阳能电池原理、分类和保护6

2.1.2太阳能电池的等效电路8

2.1.3太阳能电池板的输出特性9

2.2单片机介绍11

2.2.2单片机硬件特性12

2.2.3单片机基本结构12

2.3本章小结14

第三章方案选择及单元电路的设计14

3.1方案选择及方框图14

3.1.1方案选择14

3.1.2方框图14

3.2太阳能充电器电路原理15

3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类15

3.3单片机电路介绍15

3.3.1STC12C5408AD单片机15

3.3.2设计思路20

3.4锂蓄电池的充电特性22

3.4.1控制器充放电电路23

3.4.2液晶显示电路26

3.4.3报警电路设计29

3.4.4PADS简介30

3.5本章小结33

第四章锂蓄电池电压电流的检测和技术研究33

4.1锂蓄电池电压的检测33

4.2蓄电池电压检测电路设计33

4.3本章小结34

结论35

参考文献36

致谢37

摘要

化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。

太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。

太阳能发电的历史可以追朔到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起伏安特性改变。

最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。

其后，对硒，氧化铜等半导体材料进行研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的光伏效应。

本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路变换为稳定直流电充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。

与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。

关键词：

太阳能电池单片机充电器

ABSTRACT

Fossilenergydryingup,people'sattentiontotheproblemofenvironmentalprotectiondegreearealsoconstantlyimprove,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreandmoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasabundant,aninexhaustible,cleanandsafecharacteristicsandthereforehasabroadapplicationprospect,photovoltaicpowergenerationtechnologyisalsomoreandmoregettheattentionofpeople,withthepriceofphotovoltaicmodulesandthedecreaseofthedevelopmentofphotovoltaictechnology,solarphotovoltaicpowergenerationsystemwillbegraduallybytheadditionalenergytomakethetransitiontoalternativeenergynow.

Solarpower'shistorycanbedatedbackto0,Berkeley'sdiscoveryofasemiconductormaterialafterirradiationlight,tocausevolt-amperecharacteristicschange.Intheend,foundthephotovoltaiceffect,whichmadefromsemiconductorphotovoltaiccells.Thereafter,selenium,copperoxidesemiconductormaterialssuchasresearch,alsofoundthatthephotovoltaiceffect,alsomadeasimilarphotovoltaiceffect.

Thiscourseisdesignedtointroduceakindofsolarcharger,usingsingle-chipmicrocomputercontrol,thesolarenergythroughtostabilizethedcchargingcircuittransformation,aftercompletionofthebatteryandcanautomaticallystopcharging,canalsobeusedasageneraldcpowersupply,soastogetridofthedependenceonthegridforthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarchargerhasobviousadvantages.

Keywords:

solarenergy;batterichip;microcomputer;Batterycharger

第1章绪论

1.1课题背景

能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。

随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。

自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。

从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对生态环境的污染破坏。

大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨,而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。

常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。

这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。

虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。

其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。

所谓“光伏发电”是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。

光伏发电具有取之不尽且无污染等优点。

日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：

西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。

光伏发电具有节能性、经济性和实用性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。

光伏电源控制器通常由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。

1.1.1能源危机及环境污染问题

十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。

从此，人类大规模地开采矿产，砍伐森林，开垦草原，满足世界经济的发展。

可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。

随着科学技术日新月异地飞速发展，对能源的需求也在不断增长。

自70年代的世界石油危机后，人们才真正意识到，供应常规电力所用的石化燃料的储量是有限的。

能源危机迫在眉睫[1]，根据对石油储量的综合估算[2]，可支配的传统能源从全球来看，已探明的石油储量只能用到2040年，天然气也只能延续50-60年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能够维持二三百年。

就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样不能解决世界电力的长期稳定供应问题。

因此，如不尽早设法解决常规能源的替代能源，人类迟早将面临燃料枯竭的危险局面。

环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点[3]。

当前，由于燃烧石化燃料，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失破坏了臭氧层，加剧了温室效应，局部地区形成酸雨，使大气环境严重污染。

这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。

环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。

如不采取积极措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。

随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。

因此，无论是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不竭而又没有公害的新能源已是势在必行。

1.1.2太阳能的开发和利用

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。

当前，包括我国在的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。

随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，传统能源（如煤、石油、天然气等）的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。

很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。

大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。

虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。

在未来的一段时间，可再生能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。

其中，可再生能源主要有以下几个方面：

（1）太阳能：

据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍；

（2）氢能源：

利用自然界大量存在的水，由电解水产生氢，或者由太阳能光催化水分解氢；

（3）风力发电、小水电与潮汐发电：

可提供可观的电力；

（4）生物能：

包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等。

这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的；

（5）核能：

与传统能源的发电厂相比，核能的利用率较高，对环境的污染小，并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本，而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。

其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。

特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一[4]。

因为它具有以下的特点：

（1）存储量巨大：

太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。

太阳放射的总辐射能量大约是3.75x1026W，是极其巨大的。

其中到达地球的能量高达1.73x1014Kw，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1x1013kW。

在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7x1013W，相当于目前全世界一年消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。

太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。

（2）取之不尽，不需要开采和运输。

（3）清洁无污染，无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。

1.1.3我国太阳能的资源状况

我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总而积达960万km在我国广阔富饶土地上，有着丰富的太阳能资源。

全国各地的年太阳辐射总量：

3340-8400MJ/（m2.a），中值为5852MJ/（m2.a）。

从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区东北大部以及、、等部分低纬度地带的年太阳辐射总量都在8000MJ/m2以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。

尤其以青藏高原地区最高，达6000-8000MJ/m2。

从全世界来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2.天以上，最高达7kWh/m2.天。

与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。

特别是以上地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。

可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳能发电技术，节约能源，发展经济，提高人民生活水平。

1.2国外光伏发电产业现状与市场需求

1.2.1国外光伏发电产业现状

（1）国外现状

由于前5年发达国家光伏补助相当多，国外光伏发电迅猛，为了调节（降低）光伏发电装机，从今年开始德国、英国、美国等发达国家正在降低光伏发电的补助，因此这些国家的光伏装机明显下降。

国外趋势：

光伏发电补助会继续下降，使市场自动调节，当光伏组件价格降低到一定阶段时，达到商业发电的经济指标，光伏发电规模会增加。

（2）国现状

我国的太阳能应用起步较晚，但是发展速度很快。

我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在80年代中期建立起来。

80年代中期，我国光伏电池组件总生产能力达到4.5MW，光伏产业初步形成。

经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。

至90年代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。

“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在和北京分别建成了17KW和7KW的光伏发电屋顶系统。

1999年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室，但在2000年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。

为了推动光伏技术及其产业发展，2003年10月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2005年全国光伏发电系统总装机容量达到300MW。

至2003年底，我国光伏产业总的生产能力达到38MW，太阳能电池/组件的实际生产量达到13MW。

在市场方面，截至2003年底我国光伏系统累计装机容量达到45MW。

2004年，我国在建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达1兆瓦，年发电能力约为100万千瓦时；2008年北京奥运会，国家计划太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现；2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民国可再生能源法》4自2006年1月1日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用[5,6]。

我国光伏产业在满足国市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。

但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。

首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。

因此，我国光伏产业在国外市场上仍面临着非常严峻的考验。

1.2.2光伏发电市场需求

近2年来，太阳能光伏发电受到各国的高度重视。

世界光伏发电产业发展迅速，一直保持着加速发展的势头。

近10年太阳电池组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。

2010年11月23日，国际咨询公司Frost&Sullivan发表研究报告认为，未来一段时间光伏材料市场将快速增长，预计在2012年，光伏材料的市场总价值将达到32.5亿美元，年增长率将达到43.6%，为近几年最高。

同时，国数家券商发布研究报告认为，2010年下半年起光伏产业从上游多晶硅到下游组件普遍进入大规模扩产周期，将带来对各种上游设备、中间材料需求的提升，其中包括晶硅生产中所需的铸锭炉以及晶硅切割过程中的耗材，刃料和切割液等。

我国当前最大的光电市场仍然是通信领域，包括微波中断站、卫星通信地面站、卫星电视接收差转系统、程控交换机、部队通讯台站等，目前的市场占有率在50%左右。

通过“九五”期间的努力，以及各种各样国、国际合作项目的示和推动，使偏僻边远地区供电的光伏发电应用领域得到了进一步扩大。

包括独立光伏电站和户用光伏电源系统在，其市场占有率已由以前的约20%上升到30%以上。

“九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站400余座，装机总容量600kW左右，推广应用家用光伏电源系统约15万套，并在约80所农村学校建立了总功率100kW左右的光伏发电系统。

1.3光伏系统的工作原理与组成

1.3.1光伏系统的工作原理

白天，在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。

再通过充电器控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。

晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电流，通过逆变器的作用进行供电。

蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。

光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用[7]。

1.3.2光伏系统的组成

光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成，其各部分设备的作用如下。

（1）太阳能电池方阵

在有光照（无论是太阳光，还是其他发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光电效应”，这就是“光生伏打效应”。

在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换为电能，是能量转换的条件。

太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

（2）蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

太阳能电池发电对所用蓄电池的基本要求是：

1）自放电率低；

2）使用寿命长；

3）深放电效率高；

4）充电效率高；

5）少维护或免维护；

6）工作温度围宽；

7）价格低廉。

目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池是铅酸蓄电池和铬镍蓄电池等。

配套200A·h以上的铅酸蓄电池，一般选用固定或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为2V（DC）；配套200A·h以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为12V（DC）。

（3）充放电控制器

是能自动防止蓄电池过冲和过放电的设备。

由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电控制器是必不可少的设备。

（4）逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。

并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

方形逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。

正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

逆变器保护功能：

过载保护；短路保护；接反保护；欠压保护；过压保护；过热保护。

（5）交流配电柜

其在电站系统中的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还可对线路电能进行计量[8]。

1.4本章小结

本章主要介绍太阳能充电器电路设计的课题背景能源危机及环境污染问题，太阳能的开发和利用，以及我国太阳能的资源状况。

通过分析国外光伏发电产业现状和市场需求分析，了解光伏发电未来产业前景。

第二章太阳能电池和单片机

2.1太阳能电池

2.1.1太阳能电池原理、分类和保护

（1）太阳能电池原理

太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。

当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。

被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子--空穴对。

这样，光能就以产生电子--空穴对的形式转变为电能。

薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。

太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。

对于半导体、P-N结，光伏效应更明显。

因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。

太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。

当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。

半导体在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。

光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。

若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。

如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。

这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。

另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。

（2）太阳能电池的种类

太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。

太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。

它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。

太阳能电池单体工作电压为0.45-0.50伏，一般不能单独作为电源使用。

将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。

它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。

太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵。

它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。

目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池:

单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结