基于單片機控制的太陽能供電地下聽策劃出照明系統設計摘要在這個科技飛速發展的時代，能源是人類經濟及文化活動的動力來源。隨著經濟的發展、人口的增加和社會生活水平的提高，未來世界能源消費量將持續增長，世界上的化石能源消費總量總有一天將達到極限。開發利用可再生能源和各種綠色能源以實現可持續發展是人類必須采取的措施。從能源供應的諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續發展戰略的理想的綠色能源。隨著城市的不斷發展，人口的急劇增加，人均擁有車輛數的增大，停車問題越發嚴峻。停車場也逐漸的朝地下空間發展。然而地下停車場的照明又給社會增添了新的煩惱。為此，提供一個合理的地下照明系統是時代發展的迫切要求。本設計采用LED燈具作為系統的照明光源，采用太陽能光伏發電與市電交互為LED燈具供電的方式提供供電電源。使用節能燈具減少了能源的浪費，利用太陽能發電供電，減少了火力發電等造成的大氣污染的問題。本設計采用單片機AT89S51作為系統的主控制單元，重點設計了太陽能發電系統最大功率點跟蹤控制電路的設計。并且通過采集太陽能發電系統蓄電池及太陽能電池板兩端的電壓，實現火電與太陽能發電兩種供電方式的自動切換。并對太陽能發電系統中，太陽能電池在工作時，隨著日照強度、環境溫度的不同，輸出功率不同的問題，為了提高發電系統效率，單片機通過采樣電壓和電流，通過對功率的計算，實現對太陽能電池的最大功率點的跟蹤，確保充分的利用太陽能。本系統智能化的完成了以太陽能發電、LED為燈具的照明系統的設計，經濟、實用。關鍵字：能源太陽能光伏發電LED照明單片機AT89S51

目錄16211第一章緒論 154701.1光伏發電的背景及意義 1255301.2光伏發電的國內外現狀及發展 1138501.2.1國外光伏發電技術的現狀與前景 2148021.2.2我國太陽能光伏發電的現狀與前景 225750第二章MPPT控制部分與DC/DC變換 438952.1最大功率點跟蹤原理 4267452.2最大功率點跟蹤的算法 58792.2.1恒壓跟蹤法 5265702.2.2擾動觀察法 6242412.2.3電導增量法 67722.3DC/DC變換器 7235922.3.1降壓式變換器 768712.3.2升壓式變換器 8274342.3.3升降壓式變換器 9217632.3.4庫克式變換器 1018225第三章主要設備的選擇 12248113.1太陽能電池的設計 1211823.1.1太陽能電池原理 12168483.1.2太陽能電池分類 12247153.1.3太陽能電池的容量的計算 1214613.2蓄電池的選擇 3215603.2.1蓄電池的選用 3108123.2.2蓄電池組容量的計算 1125043.3燈具的選擇 16271第四章系統硬件設計 1283584.1系統設計總體框圖 113264.2控制模塊的電路設計 1295504.2.1電源電路的設計 1237364.2.2單片機最小系統及外圍電路設計 1274994.2.3DC-DC控制電路設計(充電電路) 1275334.2.4驅動電路的設計 26824.2.5切換電路設計 3251434.2.6采樣電路設計 3211394.2.7A/D轉換電路 470084.2.8繼電器驅動電路設計 5241985結論 615069參考文獻 7第一章緒論1.1光伏發電的背景及意義全球煤炭、石油、天然氣等能源的消耗不斷增加，引發了一系列的環境污染和資源短缺等問題。在這個世紀以前，我們能夠使用能源都局限在一次能源上，如煤、CH4和石油。這些一次能源都是經過很長時間，太陽能通過各種轉換，被地球上各個角落的生物儲存起來。但是人類已經在這個星球上生活在了數千年，在這數千年里，這些能源無時無刻不在被人類消耗著，而且留給我們及后代所要使用能源已經不多了。隨著全球經濟的不斷發展、不斷增加的人口數以及人們生活質量的不斷改善，將來全球能源消耗數目將繼續增長，地球上可用的化石能源必將會被消耗殆盡。當前，森林被大面積砍伐，礦物能源被大量使用，全球日均產生近1×109TCO2，造成大氣二氧化碳的含量上升，大氣已經被嚴重的污染。若不采取措施，溫室效應也將加劇，全球逐漸變暖，南極和北極的冰山必將被融化，后果就是可能造成海平面上漲，1/4的人類社會環境便會由此承受巨大危險。面對以上情況，如何讓可持續發展成為現實，探索開發能夠再利用的能源以及其他綠色新能源便成為了人類亟待解決的問題。從能源提供的多方面因素著眼，太陽能毫無疑義的成為理想的綠色新能源。太陽能即將成為新世紀極為重要的能源之一，已經得到世界能源專家們肯定。通過和常規發電技術比較，太陽能發電具有①可無限使用；②不會造成危害、穩定性好，沒有噪聲，沒有向環境排放污染，無公害；③可以安裝在各個角落，而且可以安裝在不影響人類生活的地方優勢；④不用使用燃料以及譜架線路便可以立刻發電供電；⑤能源質量高；⑥消費者從情感上易采納；⑦很短的建設時間，能源利用獲取時間短等優勢。而且，硅作為光伏電池的主要原料存儲量極為豐富，并且伴著太陽電池研究技術的不斷發展以及轉換效率的持續改善和與它關聯系統科技技術的不斷成熟，產業成本費用己經呈現急劇走低的勢頭。據此預見，太陽能發電在全球的未來發展中勢必會占據主導地位。所以，利用光伏發電是兼開發利用可再生新能源、生態環境不斷改善、人民生活條件不斷提高綜合性的面向新世紀人類進步的重要課題；也是兼電學技術支持多方面學科以及自動控制理論等先進技術于一體的綜合性研究課題。1.2光伏發電的國內外現狀及發展太陽能向其他形式的能轉換的方式多種多樣：1.2.1國外光伏發電技術的現狀與前景目前，全球各國尤其是發達國家把光伏發電技術放在尤為重要的地位，著重制定了規劃，擴大投入、全力貫徹發展。1980年后，即便處于全球經濟衰退和低潮的時候，光伏發電技術產業也始終保持著以百分之十到百分之十五的逐步增加發展速度。90年代末期，光伏發電技術產業的發展更加迅速，并成為世界增長速度最快的新型該科技產業之一。1997年全球光伏電池組件的生產總量達到了2×108W，比1996年提高了百分之三十五。各國始終在采取改進工藝、不斷擴大生產規模、開拓新市場等方式來減少制造成本。近幾年，全球光伏電池的生產量以平均每年近百分之四十的速度增長，2004年全世界總產量便達到了1×109W。鑒于太陽能光伏發電有很多優勢，其研發、產業化生產技術和市場開拓已經成為目前全球各國，尤其是世界發達國家競爭的主要熱點。21世紀以來，一部分發達國家相繼制定了發展涉及太陽能電池的能夠反復使用的能源方案。光伏電池的研制首先在歐洲、美洲和亞洲以大規模的形式展開。美國和日本為奪取世界光伏發電市場的首要地位，紛紛制定實施了太陽能技術的研發計劃，比如，到2010年，美國計劃將會總安裝4.6×109W(其中包括了百萬屋頂計劃)；日本計劃將會總安裝5×109瓦(日本新陽光計劃)、德國計劃累計安裝2.7GW，歐盟計劃累計安裝3GW，澳大利亞計劃累計安裝0.75GW，中國、印度等發展中國家計劃安裝1.5~2GW[]。據預測，到2020年光伏發電在全球電力產業中的所占比例將達到0.01，2050年約占1/4。由此可以斷言，光伏發電具有廣闊的市場和很好的發展前景。1.2.2我國太陽能光伏發電的現狀與前景我國從1958年才開始研究太陽能電池，1972年第一次成功地在地面應用了光伏電池，1979年開始制造以單晶硅為材料的太陽能電池。我國的太陽能發電產業的發展實現了兩次跳躍，首次是在20世紀80年代后期，我國正處于改革開放蓬勃發展時期，國內相繼引入了多條光伏電池生產線，我國的光伏電池生產能力由起初的3個小工廠生產的幾百KW提高到6個工廠生產的4.5×106W，中央政府、地方政府、國家工業部委和國家大型企業在引進的太陽電池生產設備以及生產線的投資中占了主導地位。第二次跳躍是在2000年以后，主要是受到世界大環境的影響、涉外項目/市政項目的啟動和市場的帶動；如：2002年由我國法改委承擔實施的“光明工程”的輸電到鄉和隨后的送電到農村工程都采用了太陽能光伏發電技術。2006年以前，我國還存在約三萬個村莊，七百萬多戶，三千萬村民還不能用上電，百分之六十的使用電能的縣還存在嚴重缺電的問題，由此可見，國內太陽能光伏發電市場潛力巨大。2006年國內光伏電池制造能力跨過了3×108W大關。預計在2002后的十幾年中，太陽能光伏電池的市場會產生巨大的變革，2010年前中國太陽電池基本上是應用于獨立光伏發電系統。預計，后十年（即到2020年），中國光伏發電市場主流將會轉變為并網發電系統。

第二章MPPT控制部分與DC/DC變換光伏陣列輸出是非線性的，而且它的輸出在不同的光照強度下、環境溫度下和負載情況變化時變化。根據太陽電池的工作原理，處于不同光照強度，溫度等環境條件下，光伏電池的輸出便隨著改變，輸出功率包括最大功率點也隨著相應改變。在實際的應用系統中，太陽光的輻射強度和大氣的透光率都是動態變化的，這就給建設太陽能發電系統帶來了困難。在環境溫度以及太陽光輻射強度不變的情況下，光伏電池的工作電壓是變化的，然而只有輸出電壓是一個恰當的值時，光伏電池才可以輸出最大功率，這時太陽能光伏電池的工作點即是最大功率點(MaximumPowerPoint)。最大功率點跟蹤(MPPT)即指實時調節光伏電池的輸出功率，讓它一直在最大功率點附近工作的過程?？紤]到光伏電池的特殊性，如何準確地設置它的工作電壓、電流來找到最大功率點是非常重要的。目前，通常采用DC/DC變換實現，DC/DC變換的形式主要有升壓式（Boost）、降壓式（BUCK）、升降壓式(BUCK-Boost)、庫克式（CUK）四種。最大功率點跟蹤的算法是光伏發電系統的另一個關鍵問題，在當前提出的眾多的控制方法里，主要包括擾動觀察法、恒壓跟蹤法、電導增量法、模糊邏輯控制法等。2.1最大功率點跟蹤原理光伏電池的等效簡化的線性電路如圖2-1所示，R0上的功率可表示為：圖2-1光伏電池簡化電路圖由于U、均是常數,因此對上式兩邊求導，便可以得到：只有當式（2-2）中的=時，才會取得最大值。因此，針對光伏電池等效簡化的線性電路，當負載電阻和電源內阻相等時，負載便可以獲得最大功率。盡管DC/DC變換電路以及光伏電池都是非線性的，然而在短時間里，可以把它們看作是線性的。由光伏電池的簡化電路可知：當=時，和兩端的電壓均是電壓U的一半，此時取得最大值。由上所述可知，采取調節DC/DC變換電路的等效電阻，便可以一直使光伏電池的內阻和轉化電路的等效電阻保持一致，從而實現光伏電池的最大功率點跟蹤，也就是光伏電池的MPPT。與此類推，實際應用時可以采取調節負載兩端的電阻值，來使負載獲得最大功率。圖2-2最大功率跟蹤示意圖光伏電池最大功率點跟蹤的示意圖如上圖2-2所示。圖中直線表示負載電阻；虛曲線表示等功率線；表示光伏電池的短路電流；表示光伏電池的斷路電壓；表示光伏電池的最大功率點。由圖可知，光伏電池最大功率跟蹤原理為：光伏電池工作于M點時，光伏電池的輸出功率要比在最大功率點處小很多。采取改變輸出電壓的方法，把負載電壓調節到U01處，讓負載的功率從M點向N點移動。因為N點與光伏電池的最大功率點處于同一點上，所以此時光伏電池獲得最大功率。2.2最大功率點跟蹤的算法最大功率點跟蹤的關鍵問題是研究跟蹤的算法，目前應用較廣泛的幾種為：恒①壓跟蹤法、②擾動觀察法、③電導增量法等。2.2.1恒壓跟蹤法處于不同光照強度下的光伏電池功率-電壓特性曲線如圖2-3。由圖可知，同一溫度條件下，不同的光照強度，光伏電池的最大功率點差不多分布在某一固定垂線的兩側附近。于是我們可以認為，恒壓跟蹤法就是把某個特定輸出電壓的垂直線近似看成最大功率線，讓光伏電池輸出一個特定的電壓，便可以找到最大功率點。顯然，此方法是一種近似的最大功率點跟蹤算法。圖2-3不同光照強度下光伏電池功率-電壓特性曲線此方法具有容易實現、控制方便、可靠性以及穩定性高的優點；但是該方法沒有考慮溫度對太陽能電池斷路電壓的影響，因此控制精度差。譬如每當安裝地點的溫度增加1℃，不為負載供電時，硅太陽能電池的輸出電壓會減至原來的99.55%-99.7%?，F在已研究出部分改善的恒壓跟蹤算法，可以通過改變電位器的值輸出不同電壓值，通過溫度查表改變電壓等等。伴著數字信號處理技術在光伏發電系統中的應用，恒壓跟蹤法將會逐步被取代。2.2.2擾動觀察法擾動觀察法原理圖如圖2-4，首先獲取當前陣列輸出功率P1，當在原輸出電壓的基礎上增加或減少很小電壓分量△u時，輸出功率可能發生改變，測量電壓改變后的輸出功率P2，然后計算出P2－P1，得出功率差△P。當△P>0時，光伏電池位于上升側，即最大功率點左側，需再升高電壓值，使功率自左向最大功率點持續逼近，維持原方向繼續擾動；當△P<0時，光伏電池位于下降段，即最大功率點尺的右側，即改變擾動方向，降低工作電壓值，自右向最大功率點靠近；若△P=0，電池位于最大工作點（或附近），此時不需要改變輸出電壓。這種方法的優勢在于原理簡單，容易實現；不足之處是當光照強度改變很快時，容易造成誤判，導致工作點更加遠離最大功率點，控制無效。圖2-4擾動觀察法原理圖2.2.3電導增量法電導增量法又被稱為導納增量法，是通過最大功率點的電壓來調節光伏電池輸出電壓的方法。根據光伏電池的功率-電壓特性曲線可知在最大功率點處存在：又通過公式得：從而可得：一旦上式存在，光伏電池的輸出就會處于最大功率點。因此，根據確定電壓與電流的關系，便可確定當前狀態能否達到最大功率點，即：(1)若，位于最大功率點處，不要改變參考電壓；(2)若，位于最大功率點的左側，須要升高參考電壓；(3)若，位于最大功率點的右側，須要降低參考電壓。2.3DC/DC變換器DC/DC變換器，又稱直流斬波器，它的工作方式是根據改變占空比來控制輸出DC電壓的均值。該電壓的均值由可調寬度的脈沖構成，脈沖的平均值就是DC輸出電壓。在配置合適的LC濾波器把方波脈沖轉換成無紋波DC輸出，裝置中的二極管為續流二極管。根據功率開關器件的電流（電壓）的波形的形式，可以把DC/DC變換劃分為正弦型、方波型。正弦型是因為在穩態運行中，這種開關變換器功率開關器件中的電流（電壓）波形本質上是正弦波。方波型是因為在穩態運行中，這種變換器中的開關器件的電流（電壓）波形本質上是方波；DC-DC變換器的按其結構分類為：2.3.1降壓式變換器圖2-6降壓式電路圖2.3.1為降壓式變換器的電路模型。當IGBT開關元件V導通時，二極管VD工作于截止狀態，電源E為負載供電，與此同時電感L不斷的儲存能量，這時u0=E，電感電流i0按照指數曲線升高；當V截止時，流過電感的電流i0經VD續流，u0約等于0，i0按指數曲線降低，為使i0連續且脈動變小，習慣方法是增大L值。當電流連續時，負載兩端的電壓的均值可表示成：()α表示導通占空比，簡稱導通比或者占空比u0最大為E，α變小，u0跟著變小，叫做降壓斬波電路，又稱BuckConverter。其在PWM中是最基本、使用最方便的一種變換結構。它的優勢為電路結構簡單，動態性能好。不足之處在于：①輸入電流的脈動將造成對輸入電源的電磁干擾，因此在實際應用時常在電源與變換器之間配置一個輸入濾波電容；②穩態電壓比一直比1小，因此只能降低電壓；③開關器件發射極沒有接地，增加了驅動電路復雜程度。2.3.2升壓式變換器升壓式變換器電路原理圖如圖3.8所示，當IGBT開關元件V接通時，電源E作為能量源向電感L儲存能量，電感L電流i1增加，二極管VD關斷，電容C為負載R供電，這時u0=E。當V關斷時，電感電流i1減小，放出能量，因為電感電流不可以突變，便會產生感應電動勢，感應電動勢左邊是負極右邊為正極，二極管被迫導通，并和電源一起通過二極管為負載供電，與此同時對電容C充電，這時存在u1=E－u0，根據能量守恒得：整理得：()(2-5)因為，輸出電壓大于電源電壓，因此該變換器又被稱作升壓斬波電路，其又被叫做Boost變換器。由于，因此改變它便能改變u0與導通占空比的關系：于是，式(2-5)可整理為：圖2-7升壓式電路V關斷V關斷VD導通V導通VD關斷ttiVT圖2-8電路連續導電模式下的穩態波形升壓變換器在蓄電池電壓高并且光伏電池的輸出電壓低的場合應用較廣。它的優勢在于：①輸入的電流是連續的，對電源只有較小電磁干擾；②開關器件IGBT的發射極接地，簡化了驅動電路。其不足之處在于：①輸出端的二極管的電流不是連續的，是脈動的，增大了輸出紋波的幅度。②穩態電壓比一直比1大，只可以升高電壓。2.3.3升降壓式變換器圖2-9升降壓式電路升降壓式變換電路電路圖如圖2.3.3所示，分析電路我們可以分析得到其基本原理為：當開關元件V接通時，電源E可以為電感L供電，使之儲存能量，這個時候電路電流為i1，電感L兩端的電壓為；當V關斷時，電源E不再為電路供電，但是此時電感L中儲存的能量向負載R釋放。若電容器C的值可以認為很大，可以一個固定的電壓輸出。等到電路工作于穩態后，則在0-T時間內電感L兩端電壓uL對t的積分為0，即。當IGBT元件V導通時，；而當它關斷時，，可得：因此，輸出電壓可表示為：()Buck-Boost變換器兼備了BUCK、Boost變換器的一些特點，不但可升高電壓還可以降低電壓，它的特點是：①電路結構簡單；②電壓變比可以從0變化到∞，即不僅可以升高電壓還可以降低電壓。不足之處主要為：①輸入、輸出電流均有脈動，使得對輸入電源存在電磁干擾，并且輸出紋波較大。因此，工程上經常配置輸入、輸出濾波網絡；②開關元件V的發射極沒有接地，增加了驅動電路的復雜程度。2.3.4庫克式變換器庫克變換器是由美國CaliforniaInstituteofTechnology的斯洛博丹庫克提出來的，該電路的拓撲結構如下圖2.3.4所示。庫克變換器電路去除了降壓式、升壓式和升降壓式變換器的缺點，同時又兼備了上述幾種變換器的優點。其電路的優點為：輸入、輸出均無脈動，基本上是平滑的，只是在DC成份基礎上增加一個較小的開關紋波；而且，電壓變比可在0至無窮大之間改變；變換器開關元件IGBT的發射極接地，驅動電路構成簡易?？偠灾?，庫克變換器的最大特征就在于它使用最少的元器件達到了最佳的穩態性能，因此，又被稱為最佳拓撲變換器[]。圖2-10庫克式電路

第三章主要設備的選擇3.1太陽能電池的設計太陽能電池是光伏發電系統的出發點。由單個單晶片形成的太陽能電池為單體，由若干太陽能電池單體組合而成的結構為太陽能模塊，而由若干太陽能模塊組合的大型裝置被命名成太陽能電池陣列。太陽能電池陣列皆有共同的輸出端，可直接為負荷供電。3.1.1太陽能電池原理太陽能電池是通過光電轉換原理把太陽輻射的光經半導體器件轉換成電能的裝置，光-電轉換過程通常被稱為“光生伏打效應”，因此它又被稱為“光伏電池”。太陽能電池的基本原理為：當太陽光輻射在由兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P－N結上時，處于特定環境時，太陽能輻射的能量被半導體材料吸收，內部產生靜電場。如果從內部靜電場的兩端引出電極，然后帶動恰當的負載，便會產生電壓、電流。單個太陽能電池即一個薄片半導體P-N結。標準光照環境下，其額定輸出電壓一般在為4.8×10-1V左右。若想獲得更高的輸出電壓和更大的容量，通常將若干太陽能電池連到一起。光伏電池在不同時間、不同區域、不同安裝條件下的輸出功率有所差異，即使是同一塊光伏電池，輸出功率也是隨機的。當今，光伏電池的光-電轉換效率通常超過百分之十幾，在某些發達國家，其光電轉換效率已經能達到24.7%上下。3.1.2太陽能電池分類太陽能電池的生產方法各不相同，通常以按材料分類最為常見，如圖3-1所示圖3-1太陽能電池按材料分類示意圖從光伏電池的發展歷程看，原始的光伏電池是以硅二極管為基礎實現光-電轉換的原理生產制造出來的。因此有史以來，光伏電池的制造都是采用二極管或是晶體管硅片進行的。當前，廣泛應用的光伏電池仍以硅材料的光伏電池為主，主要包括單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池等。下面簡單介紹一下上述三種電池的特點：（1）單晶硅電池：與其他兩類相比，該類電池光電轉換效率最高，通常為20%左右。不僅如此，它的生產技術也最為先進，然而由于生產單晶硅的成本消費太高，生產工藝繁瑣，引起單晶硅生產成本價格始終很高，一直阻礙著單晶硅太陽能電池的發展，目前，正在逐步的被多晶硅薄膜光伏電池以及非晶硅薄膜光伏電池等替代。現在，單晶硅光伏電池廣泛應用于交通信號和道路照明指示等室外照明中，其光-電轉換效率一般在11%～24%，并且使用壽命長。（2）多晶硅電池：多晶硅薄膜光伏電池生產時所消耗的硅相比單晶硅要少很多，沒有效率衰退等問題，不僅如此，其制造在廉價襯底材料上以成為可能。相比單晶硅電池而言，多晶硅薄膜光伏電池的生產成本要小很多，光-電轉換效率近1/5，比非晶硅薄膜電池要高。據權威人士預測，多晶硅薄膜電池必將成為光伏電池的發展方向。多晶硅電池也必將廣泛地應用于室外照明中。（3）非晶硅電池：非晶硅薄膜光伏電池制造方便，原材料及生產價格較低，適于擴大規模生產，廣泛倍受人們的青睞并實現飛速發展，光-電轉換率通常會超過百分之十四點五，不足之處在于其穩定性不是很好。如何實現提高轉換率以及改善穩定性成為非晶硅薄膜光伏電池的重要課題。現如今，非晶硅電池基本上廣泛應用于低功率電力系統。綜合設計與太陽能電池的技術參數，本設計采用非晶硅電池。3.1.3太陽能電池的容量的計算太陽能電池功率一般要是負載功率的4倍以上，系統才能正常工作。為了滿足系統的設計合理恰當，太陽能電池必須以一定的串、并聯方式連接起來。所以如何確定其連接方式非常重要。（1）確定太陽能方陣串聯數的方法把太陽能電池組件以若干數目串接在一起，就能滿足所需工作電壓的要求。太陽能電池組件的串聯數必須適當，太陽能電池方陣方才可以對蓄電池充電。要是串聯的太陽能電池過少，串聯電壓比蓄電池浮充電壓低，組件就無法給蓄電池充電。即使串聯組件的電壓輸出遠遠超過浮充電壓，充電電流也無法再有顯著的升高。所以，僅當光伏電池組件的串接電壓正好適合作浮充電壓，才可以使蓄電池處于最佳充電狀態[]。計算方法如下：參數介紹如下：UR代表方陣的最小輸出電壓；UDC代表方陣的最佳工作電壓；Uf代表儲能設備（蓄電池）浮充電壓；UD代表通過二極管的電壓降，通常選用7/10V；UC代表另外要素造成的電壓降。蓄電池參數的選擇會影響蓄電池的浮充電壓，其浮充電壓滿足在最低溫度下選擇的蓄電池單體的最大工作電壓與電池數的乘積。（2）確定太陽能方陣并聯數大的方法在確定太陽能方陣并聯數以前，需要計算出若干相關量為準備工作。①把太陽能電池組件安裝區域的每日總輻射量Ht，則標準狀態光強下的平均日輻射時數H可表示為（日輻射量參見表3-1-3）：2.778×10-4表示將日輻射量換算成標準光強（1000W/m2）下的平均日輻射時數系數。表3-1我國部分地區的輻射參數表地區緯度Φ日輻射量Ht最佳傾角Φop斜面日輻射量修正系數Kop哈爾濱市45.68112703.1Φ＋3.115838.11.14001長春市43.90113572.1Φ＋1.117127.11.15481沈陽市41.77113793.1Φ＋1.116563.11.06711北京市39.80115261.1Φ＋4.118035.11.09761天津市39.10114356.1Φ＋5.116722.11.06921呼和浩特市40.78116574.1Φ＋3.120075.11.14681太原市37.78115061.1Φ＋5.117394.11.10051烏魯木齊市43.78114464.1Φ＋12.116594.11.00921西寧市36.75116777.1Φ＋1.119617.11.13601蘭州市36.05114966.1Φ＋8.115842.10.94891銀川市38.48116553.1Φ＋2.119615.11.15591西安市34.30112781.1Φ＋14.112952.10.92751上海市31.17112760.1Φ＋3.113691.10.99001南京市32.00113099.1Φ＋5.114207.11.02491合肥市31.85112525.1Φ＋9.113299.10.99881杭州市30.23111668.1Φ＋3.112372.10.93621南昌市28.67113094.1Φ＋2.113714.10.86401福州市26.08112001.1Φ＋4.112451.10.89781濟南市36.68114043.1Φ＋6.115994.11.06301鄭州市34.72113332.1Φ＋7.114558.11.04761武漢市30.63113201.1Φ＋7.113707.10.90361長沙市28.20111377.1Φ＋6.111589.10.80281廣州市23.13112110.1Φ－7.112702.10.88501海口市20.03113835.1Φ＋12.113510.10.87611南寧市22.82112515.1Φ＋5.112734.10.82311成都市30.67110392.1Φ＋2.110304.10.75531貴陽市26.58110327.1Φ＋8.110235.10.81351②太陽能電池方陣日發電量QP其中，IOC是太陽能電池方陣最佳工作電流；KOP代表斜面修正系數（參考表3-1）；CZ是修正系數，通常取用0.8[13].③最長連續陰雨天之間的最短間隔天數本設計的特殊之處就在于此，是因為設計時將此段時間內損耗的蓄電池量補充考慮進來，蓄電池容量補充計算方法如下太陽能電池組件并在一起的選擇可按下式計算：根據太陽能電池方陣的串并聯數，便能夠計算出所選取的組件的功率[13]其中，P0代表光伏電池方陣的額定功率。以天津為例，本系統設計太陽能電池功率計算過程如下：串聯數并聯數根據計算結果該地區太陽能電池方陣功率為570W。3.2蓄電池的選擇蓄電池作為光伏發電系統的儲能設備，光伏電池將轉換成的電能先通過化學能的形式儲存在其中，當帶負載為其供電時，它會把化學能轉換成電能為負載供電。蓄電池的最大優勢是能夠重復利用，既經濟又實用，不僅如此，蓄電池還具有輸出電壓穩定、可靠性很高、攜帶方便等優點，在各個部門、場所得到了廣泛應用。蓄電池的特征直接影響太陽能發電系統的工作效率、可靠性和成本。只有裝備蓄電池的太陽能光伏發電照明系統才能正常工作，主要原因為：（1）太陽能電池轉換的電能無法直接滿足夜晚的照明要求，而且還要應對當地連續幾個陰天等特殊條件下的照明需要。因此，必須將太陽能電池轉換的電能儲存起來才能在夜晚為負載供電。（2）由于太陽能電池組件輸出功率是隨機的，為了給燈具等負荷正常供電，必須配備蓄電池。和太陽能電池方陣組合的蓄電池一般工作在浮充下，蓄電池的端電壓隨著光伏組件的光電轉換效率以及負載用電量的變化而變化。因此要求蓄電池儲存的電能遠遠大于用電負載所需的電能。不同環境下的蓄電池提供的電能各不相同。為了匹配太陽電池，一般對蓄電池有特殊要求，如其工作壽命長、維護要簡單等等。此外，太陽能蓄電池應該適用于不同的環境要求，如高溫，高海拔，低溫等不同環境下都能正常使用。3.2.1蓄電池的選用可以與光伏電池組件匹配使用的蓄電池有很多種類，但現在尤其以有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池、和堿性鎳蓄電池三種應用最為廣泛。由于鉛酸免維護蓄電池可以不用維護并且基本上不會對環境造成污染的特點，越來越多的性能可靠的太陽能發電系統，尤其是無人管理的工作站采用它。也正因為如此，目前其在國內得到廣泛使用。然而由于普通鉛酸蓄電池需要很好的管理，而且容易對環境造成嚴重污染，因此，其在要求維護能力低和一般環境下才會得到使用。雖然堿性鎳蓄電池具有良好的低溫、過沖、過放特性，但因為其過高的價格，僅在一些特殊環境下使用。綜合以上各蓄電池的優缺點及適用范圍，本設計選用鉛酸免維護蓄電池作為系統的儲能元件。3.2.2蓄電池組容量的計算是否能連續供電，蓄電池的儲能作用極為關鍵。在不同的時間內，光伏方陣發電量有很大差別，方陣的發電量不能滿足用電需要的時候，蓄電池釋放電能以便及時補足；在用電量的時候不足時，需用蓄電池把多余的電能儲存起來以備使用，所以要確定蓄電池容量需要參考方陣的發電量不足和過剩值。同樣，特殊環境下（如連續的陰雨天間的負載用電量）也需要用蓄電池供電。因此，確定蓄電池容量時還要考慮到此時的蓄電池耗電量。故可以確定蓄電池的計算容量為式中：K代表安全系數，一般取值為1.10~1.40；QL表示負載每天的平均耗電量，也就是工作電流與每天工作小時數的乘積；NL代表最長連續陰雨天數；To表示溫度修正系數，通常情況下0oC以上時取1.0，-10oC以上時取1.10，-10oC以下時用1.20，Cc代表蓄電池的放電深度，通常鉛酸蓄電池取7.5×10-1，而堿性鎳鎘蓄電池一般取值為8.5×10-1.本設計中蓄電池確定計算過程如下：根據計算結果該地區蓄電池容量為1200Ah。3.3燈具的選擇一般的，燈具的實際效率可以用光源光效（lm/W）與電源效率（%）與、光照效率（%）、燈具效率（%）的乘積表示。下表為LED光源與普通日光燈的比較表3-3LED光源與普通日光燈的比較光源類型光源光效（lm/W）電源效率（%）光照效率（%）燈具效率（%）實際效率普通日光燈80.165.1%50.1%60.1%16.1LED燈具90.190.1%90.1%85.1%55.1可見，LED燈具的實際效率是普通日光燈3倍以上。因此，用15W的LED燈具完全可以代替現有的36W的T8電感式鎮流器的普通日光燈管。故本設計采用15W的LED燈具作為照明燈具。 第四章系統硬件設計吉林大學遠程教育2013屆本科生畢業論文（設計）第四章系統硬件設計4.1系統設計總體框圖圖4-1系統設計總體框圖4.2控制模塊的電路設計4.2.1電源電路的設計由于單片機AT89S51、AD轉換器ADC0809需要+5電壓供電，本設計電源電路采用LM7805集成穩壓器作為穩壓器件，220V電源整流濾波后送入LM7805穩壓，在輸出端接一個470μF和0.33μF電容作進一步濾除紋波，便可以獲得5V電壓，而且電路結構簡單。電源電路原理圖如圖4.2.1所示。圖4-2電源電路第4章系統硬件設計4.2.2單片機最小系統及外圍電路設計單片機最小系統一般由單片機、晶振電路、復位電路以及外圍電路構成。時鐘電路的設計：單片機為一種時序電路，只有在配置時鐘信號后，方可以正常起到控制作用。單片機的18腳（X2）、19腳（X1）分別代表單片機內反向放大器兩個端口即輸出端和輸入端，如果要組成單片機所需的時鐘電路，必須在單片機18腳（X2）和19腳（X1）之間連接一個特定值的晶振，然后附帶2個30PF的瓷片電容。尤其要注意的是，使用外部時鐘時，19腳（X1）與大地相連，18腳（XTAL2）引到外部時鐘信號上。復位電路的設計：在單片機啟動或者正在工作時會由于干擾而使程序控制失控，或工作中程序在某個死循環時均要采取復位。51系列的單片機若需要復位，必須由外部電路完成，單片機的9管腳Reset為復位信號輸入端，信號從Reset引腳輸入，高電平有效，只要保持Reset引腳處于高電平的時間是2個機器周期，其就可以正常復位。圖4-3單片機最小系統及外圍電路4.2.3DC-DC控制電路設計(充電電路)本設計DC-DC變換器選用開關電源中的BUCK電路，它主要完成兩方面的功能，一方面要實現最大功率點跟蹤，一方面又要實現充電控制。電路設計主要是功率開關管u和輸出濾波電感L的選擇。BUCK電路如圖4-4所示。圖4-4BUCK電路①功率開關管的選擇目前，對于功率不是很大的DC-DC變換器在選擇開關管時，通常首選的是MOSFET管與IGBT模塊；而大功率變換器在選擇開關管時，考慮到MOSFET的功率、電壓等級等方面的不足的情況下，通常采用IGBT模塊；但是對于功率不是很大的DC-DC變換器，首選的還是MOSFET。故本系統選用MOSFET作為開關器件。器件是否能夠安全可靠的起到作用，選擇MOSFET的電壓、電流額定值是至關重要的。一般的時候，在選取MOSFET的額定值時，都會比實際值稍大一些，以便保證系統的可靠性。本設計的輸入電壓在56-90V之間，所以可選擇額定電壓在2.1×90=182V以上的MOSFET。通常情況下，BUCK變換器的效率根據取值為η=80%，則計算流過電感的電流若此時電感上的紋波電流設定在則功率開關管所要承受的電流峰值計算如下因此，系統設計選用IRF840：額定電壓500V，額定電流8A，通態電阻0.850Ω.②輸出濾波電路的設計在BUCK轉換電路中，如何選擇好一個電感元件是很重要的，若是取值過大，平波效果較好，輸出電流紋波小，但系統的動態響應較慢，同時增大電感體積，增加成本；若是取值過小，雖然系統動態響應較快，但是流過電感的電流不連續，輸出電流的紋波很大。所以，必須選擇一個合適的電感。由圖不難看出，通過電感的電流等于直流電流IL0與鋸齒波電流△IL之和?！鱅L一般是等于負載電流的0.05-0.1倍的紋波電流?？紤]到BUCK轉換器的特征，若電感恰好在臨界工作，則需滿足如下關系圖4-5電感電流波形臨界電感就是此時電路的電感值，其值為式中，LC為臨界電感量；UO為輸出電壓；fs為開關工作頻率；P0為變換器輸出功率；D為開關管占空比。由于本系統的功率是300W，為小功率范疇，經過BUCK電路后輸出的功率變為占空比為于是可得臨界電感值若要滿足連續工作的要求，條件為所以應該讓該狀態下的電感值高于臨界狀態下的值，即。若還要同時滿足能正常在連續狀態下工作，一般取，于是便可選取電感值為.4.2.4驅動電路的設計就是我們常說的MOSFET是NMOS和PMOS。該系統使用了N溝道的MOS管。該器件需要驅動電路才能正常作用，本設計采用HCNW-3120芯片實現驅動功能。由單片機控制PWM的輸出情況，通過該電路的放大功能，使NMOS正常工作。圖4-6MOSFET驅動電路4.2.5切換電路設計由于太陽能電池只能在白天進行發電，無法滿足在夜間為負載（LED燈具）供電，或是不能夠在一些惡劣環境條件下作為供電源頭。為了確保供電的連續性，因此就需要設計備用電路，通過單片機的控制，控制切換電路自動實現供電電源的轉換。本設計轉換電路原理圖如圖4-7圖4-7切換電路4.2.6采樣電路設計由于AD轉換器測量最大設定范圍為5V，因此要把蓄電池電壓成比例的縮小在5V內，才能利用AD轉換功能進行轉換，然后再接入單片機，該系統電壓采樣電路由50K、10K的精密電阻構成，電路圖如圖4-8所示。圖4-8采樣電路4.2.7A/D轉換電路AT89S51單片機不能直接接收模擬信號，內部也沒有AD轉換模塊，因此，采集獲取的電壓需要通過A/D轉換方可送入單片機。本系統設