基于单片机控制的太阳能供电地下场照明系统设计毕业设计.docx

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基于单片机控制的太阳能供电地下场照明系统设计毕业设计

基于单片机控制的太阳能供电地下听策划出照明系统设计

摘要

在这个科技飞速发展的时代，能源是人类经济及文化活动的动力来源。

随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限。

开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。

从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。

随着城市的不断发展，人口的急剧增加，人均拥有车辆数的增大，停车问题越发严峻。

停车场也逐渐的朝地下空间发展。

然而地下停车场的照明又给社会增添了新的烦恼。

为此，提供一个合理的地下照明系统是时代发展的迫切要求。

本设计采用LED灯具作为系统的照明光源，采用太阳能光伏发电与市电交互为LED灯具供电的方式提供供电电源。

使用节能灯具减少了能源的浪费，利用太阳能发电供电，减少了火力发电等造成的大气污染的问题。

本设计采用单片机AT89S51作为系统的主控制单元，重点设计了太阳能发电系统最大功率点跟踪控制电路的设计。

并且通过采集太阳能发电系统蓄电池及太阳能电池板两端的电压，实现火电与太阳能发电两种供电方式的自动切换。

并对太阳能发电系统中，太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，输出功率不同的问题，为了提高发电系统效率，单片机通过采样电压和电流，通过对功率的计算，实现对太阳能电池的最大功率点的跟踪，确保充分的利用太阳能。

本系统智能化的完成了以太阳能发电、LED为灯具的照明系统的设计，经济、实用。

关键字：

能源太阳能光伏发电LED照明单片机AT89S51

目　录

第一章绪论

1.1光伏发电的背景及意义

全球煤炭、石油、天然气等能源的消耗不断增加，引发了一系列的环境污染和资源短缺等问题。

在这个世纪以前，我们能够使用能源都局限在一次能源上，如煤、CH4和石油。

这些一次能源都是经过很长时间，太阳能通过各种转换，被地球上各个角落的生物储存起来。

但是人类已经在这个星球上生活在了数千年，在这数千年里，这些能源无时无刻不在被人类消耗着，而且留给我们及后代所要使用能源已经不多了。

随着全球经济的不断发展、不断增加的人口数以及人们生活质量的不断改善，将来全球能源消耗数目将继续增长，地球上可用的化石能源必将会被消耗殆尽。

当前，森林被大面积砍伐，矿物能源被大量使用，全球日均产生近1×109TCO2，造成大气二氧化碳的含量上升，大气已经被严重的污染。

若不采取措施，温室效应也将加剧，全球逐渐变暖，南极和北极的冰山必将被融化，后果就是可能造成海平面上涨，1/4的人类社会环境便会由此承受巨大危险。

面对以上情况，如何让可持续发展成为现实，探索开发能够再利用的能源以及其他绿色新能源便成为了人类亟待解决的问题。

从能源提供的多方面因素着眼，太阳能毫无疑义的成为理想的绿色新能源。

太阳能即将成为新世纪极为重要的能源之一，已经得到世界能源专家们肯定。

通过和常规发电技术比较，太阳能发电具有①可无限使用；②不会造成危害、稳定性好，没有噪声，没有向环境排放污染，无公害；③可以安装在各个角落，而且可以安装在不影响人类生活的地方优势；④不用使用燃料以及谱架线路便可以立刻发电供电；⑤能源质量高；⑥消费者从情感上易采纳；⑦很短的建设时间，能源利用获取时间短等优势。

而且，硅作为光伏电池的主要原料存储量极为丰富，并且伴着太阳电池研究技术的不断发展以及转换效率的持续改善和与它关联系统科技技术的不断成熟，产业成本费用己经呈现急剧走低的势头。

据此预见，太阳能发电在全球的未来发展中势必会占据主导地位。

所以，利用光伏发电是兼开发利用可再生新能源、生态环境不断改善、人民生活条件不断提高综合性的面向新世纪人类进步的重要课题；也是兼电学技术支持多方面学科以及自动控制理论等先进技术于一体的综合性研究课题。

1.2光伏发电的国内外现状及发展

太阳能向其他形式的能转换的方式多种多样：

1.2.1国外光伏发电技术的现状与前景

目前，全球各国尤其是发达国家把光伏发电技术放在尤为重要的地位，着重制定了规划，扩大投入、全力贯彻发展。

1980年后，即便处于全球经济衰退和低潮的时候，光伏发电技术产业也始终保持着以百分之十到百分之十五的逐步增加发展速度。

90年代末期，光伏发电技术产业的发展更加迅速，并成为世界增长速度最快的新型该科技产业之一。

1997年全球光伏电池组件的生产总量达到了2×108W，比1996年提高了百分之三十五。

各国始终在采取改进工艺、不断扩大生产规模、开拓新市场等方式来减少制造成本。

近几年，全球光伏电池的生产量以平均每年近百分之四十的速度增长，2004年全世界总产量便达到了1×109W。

鉴于太阳能光伏发电有很多优势，其研发、产业化生产技术和市场开拓已经成为目前全球各国，尤其是世界发达国家竞争的主要热点。

21世纪以来，一部分发达国家相继制定了发展涉及太阳能电池的能够反复使用的能

源方案。

光伏电池的研制首先在欧洲、美洲和亚洲以大规模的形式展开。

美国和日本为夺取世界光伏发电市场的首要地位，纷纷制定实施了太阳能技术的研发计划，比如，到2010年，美国计划将会总安装4.6×109W（其中包括了百万屋顶计划）；日本计划将会总安装5×109瓦（日本新阳光计划）、德国计划累计安装2.7GW，欧盟计划累计安装3GW，澳大利亚计划累计安装0.75GW，中国、印度等发展中国家计划安装1.5~2GW[]。

据预测，到2020年光伏发电在全球电力产业中的所占比例将达到0.01，2050年约占1/4。

由此可以断言，光伏发电具有广阔的市场和很好的发展前景。

1.2.2我国太阳能光伏发电的现状与前景

我国从1958年才开始研究太阳能电池，1972年第一次成功地在地面应用了光伏电池，1979年开始制造以单晶硅为材料的太阳能电池。

我国的太阳能发电产业的发展实现了两次跳跃，首次是在20世纪80年代后期，我国正处于改革开放蓬勃发展时期，国内相继引入了多条光伏电池生产线，我国的光伏电池生产能力由起初的3个小工厂生产的几百KW提高到6个工厂生产的4.5×106W，中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业在引进的太阳电池生产设备以及生产线的投资中占了主导地位。

第二次跳跃是在2000年以后，主要是受到世界大环境的影响、涉外项目/市政项目的启动和市场的带动；如：

2002年由我国法改委承担实施的“光明工程”的输电到乡和随后的送电到农村工程都采用了太阳能光伏发电技术。

2006年以前，我国还存在约三万个村庄，七百万多户，三千万村民还不能用上电，百分之六十的使用电能的县还存在严重缺电的问题，由此可见，国内太阳能光伏发电市场潜力巨大。

2006年国内光伏电池制造能力跨过了3×108W大关。

预计在2002后的十几年中，太阳能光伏电池的市场会产生巨大的变革，2010年前中国太阳电池基本上是应用于独立光伏发电系统。

预计，后十年（即到2020年），中国光伏发电市场主流将会转变为并网发电系统。

第二章MPPT控制部分与DC/DC变换

光伏阵列输出是非线性的，而且它的输出在不同的光照强度下、环境温度下和负载情况变化时变化。

根据太阳电池的工作原理，处于不同光照强度，温度等环境条件下，光伏电池的输出便随着改变，输出功率包括最大功率点也随着相应改变。

在实际的应用系统中，太阳光的辐射强度和大气的透光率都是动态变化的，这就给建设太阳能发电系统带来了困难。

在环境温度以及太阳光辐射强度不变的情况下，光伏电池的工作电压是变化的，然而只有输出电压是一个恰当的值时，光伏电池才可以输出最大功率，这时太阳能光伏电池的工作点即是最大功率点（MaximumPowerPoint）。

最大功率点跟踪（MPPT）即指实时调节光伏电池的输出功率，让它一直在最大功率点附近工作的过程。

考虑到光伏电池的特殊性，如何准确地设置它的工作电压、电流来找到最大功率点是非常重要的。

目前，通常采用DC/DC变换实现，DC/DC变换的形式主要有升压式（Boost）、降压式（BUCK）、升降压式（BUCK-Boost）、库克式（CUK）四种。

最大功率点跟踪的算法是光伏发电系统的另一个关键问题，在当前提出的众多的控制方法里，主要包括扰动观察法、恒压跟踪法、电导增量法、模糊逻辑控制法等。

2.1最大功率点跟踪原理

光伏电池的等效简化的线性电路如图2-1所示，R0上的功率可表示为：

图2-1光伏电池简化电路图

由于U、

均是常数,因此对上式两边

求导，便可以得到：

只有当式（2-2）中的

=

时，

才会取得最大值。

因此，针对光伏电池等效简化的线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，负载便可以获得最大功率。

尽管DC/DC变换电路以及光伏电池都是非线性的，然而在短时间里，可以把它们看作是线性的。

由光伏电池的简化电路可知：

当

=

时，

和

两端的电压均是电压U的一半，此时

取得最大值。

由上所述可知，采取调节DC/DC变换电路的等效电阻，便可以一直使光伏电池的内阻和转化电路的等效电阻保持一致，从而实现光伏电池的最大功率点跟踪，也就是光伏电池的MPPT。

与此类推，实际应用时可以采取调节负载两端的电阻值，来使负载获得最大功率。

图2-2最大功率跟踪示意图

光伏电池最大功率点跟踪的示意图如上图2-2所示。

图中直线表示负载电阻

；虚曲线表示等功率线；

表示光伏电池的短路电流；

表示光伏电池的断路电压；

表示光伏电池的最大功率点。

由图可知，光伏电池最大功率跟踪原理为：

光伏电池工作于M点时，光伏电池的输出功率要比在最大功率点处小很多。

采取改变输出电压的方法，把负载电压调节到U01处，让负载的功率从M点向N点移动。

因为N点与光伏电池的最大功率点处于同一点上，所以此时光伏电池获得最大功率。

2.2最大功率点跟踪的算法

最大功率点跟踪的关键问题是研究跟踪的算法，目前应用较广泛的几种为：

恒①压跟踪法、②扰动观察法、③电导增量法等。

2.2.1恒压跟踪法

处于不同光照强度下的光伏电池功率-电压特性曲线如图2-3。

由图可知，同一温度条件下，不同的光照强度，光伏电池的最大功率点差不多分布在某一固定垂线的两侧附近。

于是我们可以认为，恒压跟踪法就是把某个特定输出电压的垂直线近似看成最大功率线，让光伏电池输出一个特定的电压，便可以找到最大功率点。

显然，此方法是一种近似的最大功率点跟踪算法。

图2-3不同光照强度下光伏电池功率-电压特性曲线

此方法具有容易实现、控制方便、可靠性以及稳定性高的优点；但是该方法没有考虑温度对太阳能电池断路电压的影响，因此控制精度差。

譬如每当安装地点的温度增加1℃，不为负载供电时，硅太阳能电池的输出电压会减至原来的99.55%-99.7%。

现在已研究出部分改善的恒压跟踪算法，可以通过改变电位器的值输出不同电压值，通过温度查表改变电压等等。

伴着数字信号处理技术在光伏发电系统中的应用，恒压跟踪法将会逐步被取代。

2.2.2扰动观察法

扰动观察法原理图如图2-4，首先获取当前阵列输出功率P1，当在原输出电压的基础上增加或减少很小电压分量△u时，输出功率可能发生改变，测量电压改变后的输出功率P2，然后计算出P2－P1，得出功率差△P。

当△P>0时，光伏电池位于上升侧，即最大功率点左侧，需再升高电压值，使功率自左向最大功率点持续逼近，维持原方向继续扰动；当△P<0时，光伏电池位于下降段，即最大功率点尺的右侧，即改变扰动方向，降低工作电压值，自右向最大功率点靠近；若△P=0，电池位于最大工作点（或附近），此时不需要改变输出电压。

这种方法的优势在于原理简单，容易实现；不足之处是当光照强度改变很快时，容易造成误判，导致工作点更加远离最大功率点，控制无效。

图2-4扰动观察法原理图

2.2.3电导增量法

电导增量法又被称为导纳增量法，是通过最大功率点的电压来调节光伏电池输出电压的方法。

根据光伏电池的功率-电压特性曲线可知在最大功率点处存在：

又通过公式

得：

从而可得：

一旦上式存在，光伏电池的输出就会处于最大功率点。

因此，根据确定电压与电流的关系，便可确定当前状态能否达到最大功率点，即：

（1）若

，位于最大功率点处，不要改变参考电压；

（2）若

，位于最大功率点的左侧，须要升高参考电压；

（3）若

，位于最大功率点的右侧，须要降低参考电压。

2.3DC/DC变换器

DC/DC变换器，又称直流斩波器，它的工作方式是根据改变占空比来控制输出DC电压的均值。

该电压的均值由可调宽度的脉冲构成，脉冲的平均值就是DC输出电压。

在配置合适的LC滤波器把方波脉冲转换成无纹波DC输出，装置中的二极管为续流二极管。

根据功率开关器件的电流（电压）的波形的形式，可以把DC/DC变换划分为正弦型、方波型。

正弦型是因为在稳态运行中，这种开关变换器功率开关器件中的电流（电压）波形本质上是正弦波。

方波型是因为在稳态运行中，这种变换器中的开关器件的电流（电压）波形本质上是方波；

DC-DC变换器的按其结构分类为：

2.3.1降压式变换器

图2-6降压式电路

图2.3.1为降压式变换器的电路模型。

当IGBT开关元件V导通时，二极管VD工作于截止状态，电源E为负载供电，与此同时电感L不断的储存能量，这时u0=E，电感电流i0按照指数曲线升高；当V截止时，流过电感的电流i0经VD续流，u0约等于0，i0按指数曲线降低，为使i0连续且脉动变小，习惯方法是增大L值。

当电流连续时，负载两端的电压的均值可表示成：

（

）

α表示导通占空比，简称导通比或者占空比u0最大为E，α变小，u0跟着变小，叫做降压斩波电路，又称BuckConverter。

其在PWM中是最基本、使用最方便的一种变换结构。

它的优势为电路结构简单，动态性能好。

不足之处在于：

①输入电流的脉动将造成对输入电源的电磁干扰，因此在实际应用时常在电源与变换器之间配置一个输入滤波电容；②稳态电压比一直比1小，因此只能降低电压；③开关器件发射极没有接地，增加了驱动电路复杂程度。

2.3.2升压式变换器

升压式变换器电路原理图如图3.8所示，当IGBT开关元件V接通时，电源E作为能量源向电感L储存能量，电感L电流i1增加，二极管VD关断，电容C为负载R供电，这时u0=E。

当V关断时，电感电流i1减小，放出能量，因为电感电流不可以突变，便会产生感应电动势，感应电动势左边是负极右边为正极，二极管被迫导通，并和电源一起通过二极管为负载供电，与此同时对电容C充电，这时存在u1=E－u0，根据能量守恒得：

整理得：

（

）（2-5）

因为

，输出电压大于电源电压，因此该变换器又被称作升压斩波电路，其又被叫做Boost变换器。

由于

，因此改变它便能改变u0与导通占空比的关系：

于是，式（2-5）可整理为：

图2-7升压式电路

图2-8电路连续导电模式下的稳态波形

升压变换器在蓄电池电压高并且光伏电池的输出电压低的场合应用较广。

它的优势在于：

①输入的电流是连续的，对电源只有较小电磁干扰；②开关器件IGBT的发射极接地，简化了驱动电路。

其不足之处在于：

①输出端的二极管的电流不是连续的，是脉动的，增大了输出纹波的幅度。

②稳态电压比一直比1大，只可以升高电压。

2.3.3升降压式变换器

图2-9升降压式电路

升降压式变换电路电路图如图2.3.3所示，分析电路我们可以分析得到其基本原理为：

当开关元件V接通时，电源E可以为电感L供电，使之储存能量，这个时候电路电流为i1，电感L两端的电压为

；当V关断时，电源E不再为电路供电，但是此时电感L中储存的能量向负载R释放。

若电容器C的值可以认为很大，可以一个固定的电压输出。

等到电路工作于稳态后，则在0-T时间内电感L两端电压uL对t的积分为0，即

。

当IGBT元件V导通时，

；而当它关断时，

，可得：

因此，输出电压可表示为：

（

）

Buck-Boost变换器兼备了BUCK、Boost变换器的一些特点，不但可升高电压还可以降低电压，它的特点是：

①电路结构简单；②电压变比可以从0变化到∞，即不仅可以升高电压还可以降低电压。

不足之处主要为：

①输入、输出电流均有脉动，使得对输入电源存在电磁干扰，并且输出纹波较大。

因此，工程上经常配置输入、输出滤波网络；②开关元件V的发射极没有接地，增加了驱动电路的复杂程度。

2.3.4库克式变换器

库克变换器是由美国CaliforniaInstituteofTechnology的斯洛博丹库克提出来的，该电路的拓扑结构如下图2.3.4所示。

库克变换器电路去除了降压式、升压式和升降压式变换器的缺点，同时又兼备了上述几种变换器的优点。

其电路的优点为：

输入、输出均

无脉动，基本上是平滑的，只是在DC成份基础上增加一个较小的开关纹波；而且，电压变比可在0至无穷大之间改变；变换器开关元件IGBT的发射极接地，驱动电路构成简易。

总而言之，库克变换器的最大特征就在于它使用最少的元器件达到了最佳的稳态性能，因此，又被称为最佳拓扑变换器[]。

图2-10库克式电路

第三章主要设备的选择

3.1太阳能电池的设计

太阳能电池是光伏发电系统的出发点。

由单个单晶片形成的太阳能电池为单体，由若干太阳能电池单体组合而成的结构为太阳能模块，而由若干太阳能模块组合的大型装置被命名成太阳能电池阵列。

太阳能电池阵列皆有共同的输出端，可直接为负荷供电。

3.1.1太阳能电池原理

太阳能电池是通过光电转换原理把太阳辐射的光经半导体器件转换成电能的装置，光-电转换过程通常被称为“光生伏打效应”，因此它又被称为“光伏电池”。

太阳能电池的基本原理为：

当太阳光辐射在由两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P－N结上时，处于特定环境时，太阳能辐射的能量被半导体材料吸收，内部产生静电场。

如果从内部静电场的两端引出电极，然后带动恰当的负载，便会产生电压、电流。

单个太阳能电池即一个薄片半导体P-N结。

标准光照环境下，其额定输出电压一般在为4.8×10-1V左右。

若想获得更高的输出电压和更大的容量，通常将若干太阳能电池连到一起。

光伏电池在不同时间、不同区域、不同安装条件下的输出功率有所差异，即使是同一块光伏电池，输出功率也是随机的。

当今，光伏电池的光-电转换效率通常超过百分之十几，在某些发达国家，其光电转换效率已经能达到24.7%上下。

3.1.2太阳能电池分类

太阳能电池的生产方法各不相同，通常以按材料分类最为常见，如图3-1所示

图3-1太阳能电池按材料分类示意图

从光伏电池的发展历程看，原始的光伏电池是以硅二极管为基础实现光-电转换的原理生产制造出来的。

因此有史以来，光伏电池的制造都是采用二极管或是晶体管硅片进行的。

当前，广泛应用的光伏电池仍以硅材料的光伏电池为主，主要包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池等。

下面简单介绍一下上述三种电池的特点：

（1）单晶硅电池：

与其他两类相比，该类电池光电转换效率最高，通常为20%左右。

不仅如此，它的生产技术也最为先进，然而由于生产单晶硅的成本消费太高，生产工艺繁琐，引起单晶硅生产成本价格始终很高，一直阻碍着单晶硅太阳能电池的发展，目前，正在逐步的被多晶硅薄膜光伏电池以及非晶硅薄膜光伏电池等替代。

现在，单晶硅光伏电池广泛应用于交通信号和道路照明指示等室外照明中，其光-电转换效率一般在11%～24%，并且使用寿命长。

（2）多晶硅电池：

多晶硅薄膜光伏电池生产时所消耗的硅相比单晶硅要少很多，没有效率衰退等问题，不仅如此，其制造在廉价衬底材料上以成为可能。

相比单晶硅电池而言，多晶硅薄膜光伏电池的生产成本要小很多，光-电转换效率近1/5，比非晶硅薄膜电池要高。

据权威人士预测，多晶硅薄膜电池必将成为光伏电池的发展方向。

多晶硅电池也必将广泛地应用于室外照明中。

（3）非晶硅电池：

非晶硅薄膜光伏电池制造方便，原材料及生产价格较低，适于扩大规模生产，广泛倍受人们的青睐并实现飞速发展，光-电转换率通常会超过百分之十四点五，不足之处在于其稳定性不是很好。

如何实现提高转换率以及改善稳定性成为非晶硅薄膜光伏电池的重要课题。

现如今，非晶硅电池基本上广泛应用于低功率电力系统。

综合设计与太阳能电池的技术参数，本设计采用非晶硅电池。

3.1.3太阳能电池的容量的计算

太阳能电池功率一般要是负载功率的4倍以上，系统才能正常工作。

为了满足系统的设计合理恰当，太阳能电池必须以一定的串、并联方式连接起来。

所以如何确定其连接方式非常重要。

（1）确定太阳能方阵串联数的方法

把太阳能电池组件以若干数目串接在一起，就能满足所需工作电压的要求。

太阳能电池组件的串联数必须适当，太阳能电池方阵方才可以对蓄电池充电。

要是串联的太阳能电池过少，串联电压比蓄电池浮充电压低，组件就无法给蓄电池充电。

即使串联组件的电压输出远远超过浮充电压，充电电流也无法再有显著的升高。

所以，仅当光伏电池组件的串接电压正好适合作浮充电压，才可以使蓄电池处于最佳充电状态[]。

计算方法如下：

参数介绍如下：

UR代表方阵的最小输出电压；UDC代表方阵的最佳工作电压；Uf代表储能设备（蓄电池）浮充电压；UD代表通过二极管的电压降，通常选用7/10V；UC代表另外要素造成的电压降。

蓄电池参数的选择会影响蓄电池的浮充电压，其浮充电压满足在最低温度下选择的蓄电池单体的最大工作电压与电池数的乘积。

（2）确定太阳能方阵并联数大的方法

在确定太阳能方阵并联数以前，需要计算出若干相关量为准备工作。

①把太阳能电池组件安装区域的每日总辐射量Ht，则标准状态光强下的平均日辐射时数H可表示为（日辐射量参见表3-1-3）：

2.778×10-4表示将日辐射量换算成标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数系数。

表3-1我国部分地区的辐射参数表

地区

纬度Φ

日辐射量Ht

最佳倾角Φop

斜面日辐射量

修正系数Kop

哈尔滨市

45.681

12703.1

Φ＋3.1

15838.1

1.14001

长春市

43.901

13572.1

Φ＋1.1

17127.1

1.15481

沈阳市

41.771

13793.1

Φ＋1.1

16563.1

1.06711

北京市

39.801

15261.1

Φ＋4.1

18035.1

1.09761

天津市

39.101

14356.1

Φ＋5.1

16722.1

1.06921

呼和浩特市

40.781

16574.1

Φ＋3.1

20075.1

1.14681

太原市

37.781

15061.1

Φ＋5.1

17394.1

1.10051

乌鲁木齐市

43.781

14464.1

Φ＋12.1

16594.1

1.00921

西宁市

36.751

16777.1

Φ＋1.1

19617.1

1.13601

兰州市

36.051

14966.1

Φ＋8.1

15842.1

0.94891

银川市

38.481

16553.1

Φ＋2.1

19615.1

1.15591

西安市

34.301

12781.1

Φ＋14.1

12952.1

0.92751

上海市

31.171

12760.1

Φ＋3.1

13691.1

0.99001

南京市

32.001

13099.1

Φ＋5.1

14207.1

1.02491

合肥市

31.851

12525.1

Φ＋9.1

13299.1

0.99881

杭州市

30.231

11668.1

Φ＋3.1

12372.1

0.93621

南昌市