安徽机电职业技术学院
毕业论文
小型家庭太阳能供电系统
系
专
班姓学别业级名号电气工程系2012～2013学年第一学期
随着全球经济的发展，人类环境保护意识的增强以及传统能源的日益枯竭，人们迫切的需要寻找一种新型的清洁的能源以代替由煤炭、石油、天然气组成的传统能源。太阳能就是一种可再生的新型能源。太阳能发电，不会产生任何废料，也不会排放任何气体，对环境没有任何影响，是一种完完全全清洁的能源。如果太阳能能够取代传统能源，那么对人类的可持续发展是有很深远的意义的。
太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
整个太阳能家用照明系统：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成220V,50Hz 交流电供电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有办法发电，系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供电不足。整个装置由控制器进行自动切换控制。
关键词：可再生太阳能光伏发电
引言.........................................................................................................................................................1
第一章太阳能及其应用..............................................................................................................2
1.1太阳能的含义.......................................................................................................................... 2
1.2我国太阳能资源......................................................................................................................2
1.3太阳能的应用.......................................................................................................................... 2
1.4太阳能的利弊.......................................................................................................................... 3
1.4.1太阳能应用的优点................................................................................................... 3
1.4.2太阳能应用的缺点................................................................................................... 3
第二章太阳能发电原理..................................................................................................... 4
2.1
2.2
2.3太阳能电池板的发电原理................................................................................................4太阳能蓄电池的原理......................................................................................................... 6逆变器的工作原理..............................................................................................................7
第三章家用太阳能供电系统的设计...................................................................................9
3.1太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素..........................................................9
3.2
3.3家用太阳能供电系统组成................................................................................................9家用太阳能供电系统组成原件介绍............................................................................. 9
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4光伏电池组（太阳能电池板）........................................................................... 9太阳能蓄电池........................................................................................................ 10太阳能控制器........................................................................................................ 11太阳能逆变器........................................................................................................ 12
3.4需求分析..................................................................................................................................13
3.5
第四章系统设计.............................................................................................................................. 13软件的设计........................................................................................................................ 16
主程序模块..........................................................................................................................164.1
4.2子程序模块............................................................................................................................. 17
4.2.1I/O设置模块...........................................................................................................17
4.2.2A/D采样模块...........................................................................................................17
4.2.3异常情况处理模块...................................................................................................18结论.......................................................................................................................................................20参考文献...............................................................................................................................................21
引言
随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140吨标准煤，即25年间增长了69.7%，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤[1]。
因此，采用既清洁，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我过是世界上的能源消耗大国，更应该为可持续发展和环境保护工作尽一份力，太阳能就是我们想要的新型能源，它不仅可以解决能源枯竭的问题，也不会产生温室气体，对环境零污染。
我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统[2]。
太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。故本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。
第一章太阳能及其应用
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。
1.1太阳能的含义
一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。
1.2我国太阳能资源
中国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源。
太阳能丰富区:在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡/平方公分以上。
太阳能较丰富区:北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130～150千卡/平方公分。
太阳能可利用区:分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110～130千卡/平方公分。
1.3太阳能的应用
就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能发电、太阳能热水系统等方式
1.3.1太阳能离网发电系统
太阳能离网发电系统包括：
1、太阳能控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。
2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。
1.3.2太阳能并网发电系统
太阳能并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。
1.3.3太阳能热水系统
早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：自然循环式和自然循环式。
1.4太阳能的利弊
1.4.1太阳能应用的优点
(1)普遍性：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。
(2)无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
(3)巨大性：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
(4)长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
1.4.2太阳能应用的缺点
(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。
(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。
第二章太阳能发电原理
光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。
2.1太阳能电池板的发电原理
太阳光照在半导体P-N 结上，形成新的空穴-电子对，在P-N 结电场的作用下，空穴由N 区流向P 区，电子由P 区流向N 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光～热～电转换方式，另一种是光～电直接转换方式。
光～热～电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成过热蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光～热转换过程；后一个过程是热～电转换过程。
光～电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光～电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。
太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程[3]。
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：
图2-1硅原子图
如图2-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼，磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。如图2-2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P
型半导体。
图2-2P 型半导体
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N 型半导体。
P 型半导体中含有较多的空穴，而N 型半导体中含有较多的电子，这样，当P 型和N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN
结。
图2-3P 型半导体与N 型半导体结合
如图2-3所示，当P 型和N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P 型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P 型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P 区，P区的空穴会扩散到N 区，一旦扩散就形成了一个有N 指向P 的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成P-N 结。当晶片受光后，P-N结中，N型半导体的空穴往P 型区移动，而P 型区中的电子往N 型区移动，从而形成从N 型区到P 型区的电流。然后在P-N 结中形成电势差，这就形成了电源。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过P-N 结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P-N 结，以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
2.2太阳能蓄电池的原理
蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah(安·时)表示，1Ah就是能在1A 的电流下放电1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C 表示，C 为蓄电池的额定容量。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.75~1.8V，镍氢电池的充电终止电压为1.5V。
负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。
充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达1.5V 左右，但很快就下降到1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随着充放电过程而变化，可用以下式表示：[4]
U 充=E 充+I 充R 内
U 放=E 放－I 放R 内(2-1)(2-2)
从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压
越高；放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8h 率放电时，蓄电池的端电压下降到1.1V 后，电池即放完电。
蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，容量Q 用放电电流与放电时间的乘积来表示,表示式如下：
Q=I·t(Ah )
镍镉蓄电池容量与下列因素有关：
（1）
（2）
（3）活性物质的数量；放电率；电解液。(2.3)
放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。使用不同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率ηAh 为67%-75%，电能效率ηWh 为55%~65%，
循环寿命约为2000次。
另外，镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应
2.3逆变器的工作原理
逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220V 50Hz 正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电逆变成220V 交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压[6]
。[5]
图2-4逆变器工作过程
各部分电路的主要功能如下：
(1)输入电路：为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流电压。
(2)输出电路：对主逆变电路输出的交流电的质量（包括波形、频率、电压电
幅值相位等）进行修正、补偿、调理，使之能满足用户要求。
(3)控制电路：为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。在逆变电路中，控制电路与主逆变电路同样重要。
(4)辅路电路：将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。包括多种检测电路
(5)保护电路：输入过电压、欠压保护；输出过电压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。
(6)主逆变电路：由半导体开关器件组成的变换电路，分为隔离式和非隔离两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；UPS、通信基础开关电流等是隔离式逆变电路。隔离式逆变电路还应包括逆变电压器。无论是隔离式或非隔离式主逆变电路，基本上都是由升压电路Buck 和降压电路Boost 两种电路不同拓扑形式组合而成。这些组合在隔离式逆变器主电路中就构成了单端式（正激式和反激式两种）、推挽式、半桥式和全桥式等。这些电路既可以组成单项逆变器，也可组合成三相逆变器[7]。
第三章家用太阳能供电系统的设计
3.1太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素
问题1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？
问题2、系统的负载功率多大？
问题3、系统每天需要工作多少小时？
问题4、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？
问题5、系统需求的数量？
3.2家用太阳能供电系统组成
家用太阳能供电系统，是由光伏电池组件（太阳能电池板），蓄电池，控制器，负载与逆变器（输出电源为交流220V 或110V）所组成的电路。
图3-1系统概况图
3.3
3.3.1家用太阳能供电系统组成原件介绍光伏电池组（太阳能电池板）
光伏电池组件，将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中储存起来，或者推动负载工作。是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
图3-2
太阳能电池板实物图
太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池[8]。
白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智慧控制器，经过智慧控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存。
太阳能蓄电池的使用与维护：
（1）
（2）工作适宜温度15～20℃太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负
极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电池的电压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路。
（3）对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池，进行一次较长时间的
充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行8到16小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。
（4）
（5）
（6）保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱上应涂上凡士林，为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术，对太阳能蓄电池进行内阻在线冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放
。防止腐蚀极柱。测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。于通风阴冷处[9]
图3-3
太阳能蓄电池实物图
太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM 控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm 附近区域。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
太阳能控制器有三项功能，分别是功率调节功能，通信功能（简单指示功能，协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理.）与完善的保护功能（电气保护，反接,短路,过流等）。
在选择太阳能控制器的时候要考虑输入功率，输出功率，退出欠压保护，散热与充电模式。
常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充电[10]。
图3-4
太阳能控制器实物图
逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。本案中，由太阳能电池板产生的电能，会经过逆变器DC/AC转换，转换为220V，50Hz的交流电，从而为家用电器提供电能。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。
逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM 处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。
逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。
自动运行和停机功能，早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。
最大功率跟踪控制功能，太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。
图3-5
太阳能逆变器实物图
3.4需求分析
本设计用电系统是一个三口之家，居住在一个一百平方米左右的的两居室，太阳能电池板铺设在房屋的顶棚上。客厅内配有是液晶电视机一台（功率约为100W），空调一台（功率约为2000W），厨房内配有电磁炉一台（功率约为2000W），电冰箱一台（功率约为300W），电饭煲一个（功率约为1500W），主卧室内放着一台台式电脑（功率约为300W），次卧室内放有一台笔记本电脑（功率约为100W），整个屋子的照明设施有若干个（功率约为300W），其它（饮水机，充电器等）功率约为400W，总计功率为7000W。具体情况如下表所示。
表3-1家用负载的计算
电器
液晶电视机
电冰箱
空调
电磁炉
电饭煲
照明工具
台式计算机
笔记本计算机
饮水机，充电器等
总功率数量一台一台一台一个一个若干一台一台若干功率约为100W 300W 2000W 2000W 1500W 300W 300W 100W 400W 7000W 每天运行时间5个小时4个小时1个小时1个小时2个小时4个小时3个小时4个小时2个小时每日消耗电量0.5度1.2度2.0度2.0度3.0度1.2度0.9度0.4度0.8度12度
为了充分满足该用户的需要，决定留出充裕的额度，决定采用正常情况下每日可以发出十五度到二十度左右的系统，已备日后填充家电，更好的留出了备用容量，已备不时之需。
3.5系统设计
目前，国内的光伏发电系统主要是以直流系统为主，但最普遍的电力负载是交流负载。对于家居用电来说，基本全部都是交流负载，所以本设计主要针对交流负载。
整个太阳能家用照明系统如图所示：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成50Hz 交流电供电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有办法发电，所以本设计将蓄电池通过一个正偏二极管和继电开关与蓄电池连接在一起，最大程度利用太阳能。设计蓄电池的容量维持连续阴雨天气的最长天数为3天。结合阴雨天的稳定性考虑，该系统日发电量在15度到二十度之间，完全满足该三口之家的需求。系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供
电不足。整个装置由控制器进行控制：
图3-6家用太阳能供电系统框图
图3-7主控制回路原理图
光伏电池通过一正偏二极管、继电开关与蓄电池连接起来。系统的工作原理是：在控制器的作用下，光伏电池向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给负载。控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池组不因过充电或过放电而被损坏，最大程度的利用太阳能。由于光伏电池输出电压不稳定，这样会对后端电路产生影响，所以采用Buck 电路实现DC/DC变换，得到稳定直流输出36V，再通过逆变电路实现DC/AC，得到所需的交流电。控制器由STC12C5410AD 和SG3525组成。在DC/AC输出电压通过变压、整流、滤波后将反馈电压EA 送SG3525进行控制。SG3525根据EA 的值调整PWM_0_O来控制Buck
电路，如果无偏差时，按照
原来固定脉宽输出，如有偏差时，SG3525改变PWM_0_O的输出脉宽进行调整。STC12C5410AD 则控制SG3525的启动与停止。整个电路形成一个闭环控制。本设计只针对照明，所以设计输出为220V/50Hz的方波，由STC12C5410AD 产生50Hz 的方波来控制逆变电路实现DC/AC逆变。本系统还设计了市电备用，STC12C5410AD 根据预先设定的情况对继电开关进行控制，继电器的控制如下表所示。正常工作时，充电开关KA 开启，切换开关KB 工作在逆变状态，市电备用开关KC 关闭。STC12C5410AD 通过电阻分压对蓄电池的端电压进行AD 采样检测，当白天光照强烈导致电池板输出电压过高，STC12C5410AD检测到蓄电池过压时，控制器断开太阳能板的充电开关KA，停止对蓄电池充电，以实现过压保护功能；如果在夜间出现蓄电池所储存的电量不足或者遇到连续阴雨天时，STC12C5410AD检测蓄电池处于欠压状态，开启市电备用开关KC，切换开关KB 工作在市电备用状态。STC12C5410AD 检测到蓄电池过电压或者欠电压时，发出声光警报，绿灯亮表示正常工作，红灯亮表示欠压、黄灯亮表示过压。当STC12C5410AD 检测到电路欠压故障时，关闭SG3525工作，以实现欠压保护功能。
表3-2继电器工作组合表
第四章软件的设计
4.1主程序模块
整个主程序系统流程如图所示：
图4-1
主程序流程图
4.2子程序模块
4.2.1I/O设置模块
STC12C5410AD 单片机的I/O口共有4种工作模式：传统8051的准双向口、推挽输出、开漏输出和仅为输入(高阻)方式。每个I/O引脚工作模式都可以通过设置内部控制寄存器PnM0和PnM1（n为0~3四个端口，每个寄存器都有八个位)中两个相对应的位来实现独立设置。STC12C5410AD单片机上电复位后为准双向口（传统8051的I/O口）模式
表4-1PnM 口工作模式设置PnM0
[7：0]
1
1PnM1[7：0]0101A/D转换所需时间准双向口（传统8051I/O口模式）推挽输出（强上拉输出）仅为输入高阻(该I/O口需作为A/D使用，可选此模式) 开漏(如果该I/O口需作为A/D使用，可选此模式)
4.2.2A/D采样模块
ST12C5410AD 内置8路10位高速A/D转换器，电压输入型，与P1端口复用，速度均可达到100KHz(10万次/秒)。A/D转换通道的输入信号范围在0~5V，而检测的蓄电池电压在42V~55V，因此将检测到的蓄电池电压通过分压电路转换后再输入A/D口进行转换。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，因此，先将P1口中作为A/D使用的口设置为开漏模式，本设计将P1.2作为A/D口，即对P1M0和P1M1寄存器中.2的位置“1”，其中P1M0和P1M1地址：91h、92h。其次设置A/D转换控制特殊功能寄存器ADC_CONTR。ADC_CONTR寄存器的地址为C5H，启动AD 转换前一定要确认AD 电源已打开，AD转换结束后关闭AD 电源可降低功。
表4-2模数转换器转换速度控制位的控制模式
SPEED1
1
1
0SPEED01010A/D转换所需时间270个时钟周期转换一次540个时钟周期转换一次810个时钟周期转换一次1080个时钟周期转换一次
最后还要设置A/D转换结果特殊功能寄存器ADC_DATA/ADC_LOW2，寄存器的地址为分别为C6H 和BEH ，其中ADC_DATA寄存器全部8位有效，存10位A/D转换结果的高8位；ADC_LOW2寄存器只有低2位有效，存10位A/D转换结果的低2位。
4.2.3PWM 信号模块
电路通过控制PWM_1和PWM_2信号，使VT 1和VT 2交替开启和关断，从而实现
DC/AC逆变。PWM信号是通过STC12C5410AD 的定时器中断T0产生。当出现连续阴雨天气或者夜间蓄电池供电不足需要市电备用时，关闭PWM 信号输出，停止DC/AC逆变。PWM信号输出的子程序流程如图所示。
图4-2PWM 输出子程序流程
4.2.3异常情况处理模块
异常情况时是指蓄电池端电压在白天出现的过压或欠压和夜间出现的欠压状态。
白天异常情况包括太阳光太强烈造成的蓄电池过电压情况和连续阴雨天气所造成的蓄电池欠压情况。白天出现过电压情况时：当蓄电池端电压出现过压时，说明蓄电池电已充满，此时无需给蓄电池充电。当采样到电压处于过电压状态，则产生一个“过压”标志，就断开电池板与蓄电池的继电器，声光报警。白天出现欠压情况时：当蓄电池端电压出现欠压状态时，说明天气可能是阴雨天（不考虑出现物体遮住光伏电池板）。当采样到电压处于过电压状态，则产生一个“欠压”标志，声光报警，开启市电备用。其异常情况处理子程序流程图如图4-3
所示。
夜间异常情况主要是出现欠压状态，当采样到电压处于欠压状态，则产生一个“欠压”标志，声光报警，开启市电备用。如出现其它情况，说明电路出现故障。
图4-3（a ）白天异常情况处理流程图
(b)
夜间异常情况处理流程图
结论
本次毕业设计以太阳能家用供电系统为研究对象，设计了一种太阳能家用供电系统控制器，此控制器具有自动稳压调压功能；电路故障自动报警；市电备用，以保证设备不断电；还具有过压、欠压保护等功能。本设计先是对太阳能电池板、蓄电池、DC/DC变换器、DC/AC逆变器等太阳能家用供电系统组件进行分析，通过方案比较设计太阳能家用供电系统控制器，基本实现预期目标。本设计取得了一些进展，市电备用切换、过压欠压保护、声光报警功能，同时还产生两路50Hz 的方波作为DC/AC逆变器的驱动信号，运行可靠。但也存在一些问题，如电路电源工作稳定性还未达到预期目的，所以提高系统的效率和可靠性，改善控制效果是下一步研究的内容。此外还可以进一步深入研究，如：输出正弦波电压、供LED 照明、负载保护、输出显示等其他控制功能的实现，并往与市电并网方向发展。
参考文献
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安徽机电职业技术学院
毕业论文
小型家庭太阳能供电系统
系
专
班姓学别业级名号电气工程系2012～2013学年第一学期
随着全球经济的发展，人类环境保护意识的增强以及传统能源的日益枯竭，人们迫切的需要寻找一种新型的清洁的能源以代替由煤炭、石油、天然气组成的传统能源。太阳能就是一种可再生的新型能源。太阳能发电，不会产生任何废料，也不会排放任何气体，对环境没有任何影响，是一种完完全全清洁的能源。如果太阳能能够取代传统能源，那么对人类的可持续发展是有很深远的意义的。
太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
整个太阳能家用照明系统：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成220V,50Hz 交流电供电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有办法发电，系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供电不足。整个装置由控制器进行自动切换控制。
关键词：可再生太阳能光伏发电
引言.........................................................................................................................................................1
第一章太阳能及其应用..............................................................................................................2
1.1太阳能的含义.......................................................................................................................... 2
1.2我国太阳能资源......................................................................................................................2
1.3太阳能的应用.......................................................................................................................... 2
1.4太阳能的利弊.......................................................................................................................... 3
1.4.1太阳能应用的优点................................................................................................... 3
1.4.2太阳能应用的缺点................................................................................................... 3
第二章太阳能发电原理..................................................................................................... 4
2.1
2.2
2.3太阳能电池板的发电原理................................................................................................4太阳能蓄电池的原理......................................................................................................... 6逆变器的工作原理..............................................................................................................7
第三章家用太阳能供电系统的设计...................................................................................9
3.1太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素..........................................................9
3.2
3.3家用太阳能供电系统组成................................................................................................9家用太阳能供电系统组成原件介绍............................................................................. 9
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4光伏电池组（太阳能电池板）........................................................................... 9太阳能蓄电池........................................................................................................ 10太阳能控制器........................................................................................................ 11太阳能逆变器........................................................................................................ 12
3.4需求分析..................................................................................................................................13
3.5
第四章系统设计.............................................................................................................................. 13软件的设计........................................................................................................................ 16
主程序模块..........................................................................................................................164.1
4.2子程序模块............................................................................................................................. 17
4.2.1I/O设置模块...........................................................................................................17
4.2.2A/D采样模块...........................................................................................................17
4.2.3异常情况处理模块...................................................................................................18结论.......................................................................................................................................................20参考文献...............................................................................................................................................21
引言
随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140吨标准煤，即25年间增长了69.7%，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤[1]。
因此，采用既清洁，又可再生的新型能源是十分有必要的，尤其是我过是世界上的能源消耗大国，更应该为可持续发展和环境保护工作尽一份力，太阳能就是我们想要的新型能源，它不仅可以解决能源枯竭的问题，也不会产生温室气体，对环境零污染。
我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统[2]。
太阳能供电进入家庭是一种趋势。目前，太阳能家用供电不能普及的原因除造价高外，还没有较为合适的控制器为用户提供便捷的使用服务，这是制约其发展的因素之一。故本课题设计一种太阳能家用系统，为太阳能供电进入千家万户奠定基础。
第一章太阳能及其应用
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。
1.1太阳能的含义
一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。
1.2我国太阳能资源
中国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源。
太阳能丰富区:在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千卡/平方公分以上。
太阳能较丰富区:北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130～150千卡/平方公分。
太阳能可利用区:分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110～130千卡/平方公分。
1.3太阳能的应用
就目前来说，人类直接利用太阳能还处于初级阶段，主要有太阳能发电、太阳能热水系统等方式
1.3.1太阳能离网发电系统
太阳能离网发电系统包括：
1、太阳能控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，太阳能控制器又把蓄电池的电能送往负载。
2、太阳能蓄电池组的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
3、太阳能逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。
1.3.2太阳能并网发电系统
太阳能并网发电系统是将光伏阵列产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。
1.3.3太阳能热水系统
早期最广泛的太阳能应用即用于将水加热，现今全世界已有数百万太阳能热水装置。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三部分。此外，可能还有辅助的能源装置（如电热器等）以供应无日照时使用，另外尚可能有强制循环用的水，以控制水位或控制电动部份或温度的装置以及接到负载的管路等。依循环方式太阳能热水系统可分两种：自然循环式和自然循环式。
1.4太阳能的利弊
1.4.1太阳能应用的优点
(1)普遍性：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。
(2)无害性：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
(3)巨大性：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
(4)长久性：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
1.4.2太阳能应用的缺点
(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。
(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。
第二章太阳能发电原理
光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。
2.1太阳能电池板的发电原理
太阳光照在半导体P-N 结上，形成新的空穴-电子对，在P-N 结电场的作用下，空穴由N 区流向P 区，电子由P 区流向N 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光～热～电转换方式，另一种是光～电直接转换方式。
光～热～电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成过热蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光～热转换过程；后一个过程是热～电转换过程。
光～电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光～电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。
太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程[3]。
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：
图2-1硅原子图
如图2-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼，磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。如图2-2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P
型半导体。
图2-2P 型半导体
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N 型半导体。
P 型半导体中含有较多的空穴，而N 型半导体中含有较多的电子，这样，当P 型和N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN
结。
图2-3P 型半导体与N 型半导体结合
如图2-3所示，当P 型和N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P 型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P 型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P 区，P区的空穴会扩散到N 区，一旦扩散就形成了一个有N 指向P 的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成P-N 结。当晶片受光后，P-N结中，N型半导体的空穴往P 型区移动，而P 型区中的电子往N 型区移动，从而形成从N 型区到P 型区的电流。然后在P-N 结中形成电势差，这就形成了电源。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过P-N 结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P-N 结，以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，实际工业生产基本都是用化学气相沉积一层氮化硅膜，厚度在1000埃左右。将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
2.2太阳能蓄电池的原理
蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah(安·时)表示，1Ah就是能在1A 的电流下放电1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C 表示，C 为蓄电池的额定容量。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.75~1.8V，镍氢电池的充电终止电压为1.5V。
负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。
充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达1.5V 左右，但很快就下降到1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随着充放电过程而变化，可用以下式表示：[4]
U 充=E 充+I 充R 内
U 放=E 放－I 放R 内(2-1)(2-2)
从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电压
越高；放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8h 率放电时，蓄电池的端电压下降到1.1V 后，电池即放完电。
蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，容量Q 用放电电流与放电时间的乘积来表示,表示式如下：
Q=I·t(Ah )
镍镉蓄电池容量与下列因素有关：
（1）
（2）
（3）活性物质的数量；放电率；电解液。(2.3)
放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。使用不同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率ηAh 为67%-75%，电能效率ηWh 为55%~65%，
循环寿命约为2000次。
另外，镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应
2.3逆变器的工作原理
逆变器是把直流电能转变成交流电（一般为220V 50Hz 正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电逆变成220V 交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压[6]
。[5]
图2-4逆变器工作过程
各部分电路的主要功能如下：
(1)输入电路：为主逆变电路提供可确保其正常工作的直流电压。
(2)输出电路：对主逆变电路输出的交流电的质量（包括波形、频率、电压电
幅值相位等）进行修正、补偿、调理，使之能满足用户要求。
(3)控制电路：为主逆变电路提供一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主逆变电路完成逆变功能。在逆变电路中，控制电路与主逆变电路同样重要。
(4)辅路电路：将输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。包括多种检测电路
(5)保护电路：输入过电压、欠压保护；输出过电压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。
(6)主逆变电路：由半导体开关器件组成的变换电路，分为隔离式和非隔离两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；UPS、通信基础开关电流等是隔离式逆变电路。隔离式逆变电路还应包括逆变电压器。无论是隔离式或非隔离式主逆变电路，基本上都是由升压电路Buck 和降压电路Boost 两种电路不同拓扑形式组合而成。这些组合在隔离式逆变器主电路中就构成了单端式（正激式和反激式两种）、推挽式、半桥式和全桥式等。这些电路既可以组成单项逆变器，也可组合成三相逆变器[7]。
第三章家用太阳能供电系统的设计
3.1太阳能光伏发电系统的设计需要考虑如下因素
问题1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？
问题2、系统的负载功率多大？
问题3、系统每天需要工作多少小时？
问题4、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？
问题5、系统需求的数量？
3.2家用太阳能供电系统组成
家用太阳能供电系统，是由光伏电池组件（太阳能电池板），蓄电池，控制器，负载与逆变器（输出电源为交流220V 或110V）所组成的电路。
图3-1系统概况图
3.3
3.3.1家用太阳能供电系统组成原件介绍光伏电池组（太阳能电池板）
光伏电池组件，将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中储存起来，或者推动负载工作。是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
图3-2
太阳能电池板实物图
太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池[8]。
白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智慧控制器，经过智慧控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存。
太阳能蓄电池的使用与维护：
（1）
（2）工作适宜温度15～20℃太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负
极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电池的电压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路。
（3）对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池，进行一次较长时间的
充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行8到16小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。
（4）
（5）
（6）保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱上应涂上凡士林，为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术，对太阳能蓄电池进行内阻在线冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放
。防止腐蚀极柱。测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。于通风阴冷处[9]
图3-3
太阳能蓄电池实物图
太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM 控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm 附近区域。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
太阳能控制器有三项功能，分别是功率调节功能，通信功能（简单指示功能，协议通讯功能如RS485以太网,无线等形式的后台管理.）与完善的保护功能（电气保护，反接,短路,过流等）。
在选择太阳能控制器的时候要考虑输入功率，输出功率，退出欠压保护，散热与充电模式。
常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充电[10]。
图3-4
太阳能控制器实物图
逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。本案中，由太阳能电池板产生的电能，会经过逆变器DC/AC转换，转换为220V，50Hz的交流电，从而为家用电器提供电能。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。
逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM 处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。
逆变器不仅具有直交流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳电池性能的功能和系统故障保护功能。这里简单介绍自动运行和停机功能及最大功率跟踪控制功能。
自动运行和停机功能，早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳电池的输出也随之增大，当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时时刻刻监视太阳电池组件的输出，只要太阳电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率，逆变器就持续运行；直到日落停机，即使阴雨天逆变器也能运行。当太阳电池组件输出变小，逆变器输出接近0时，逆变器便形成待机状态。
最大功率跟踪控制功能，太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。太阳辐射强度是变化着的，显然最佳工作点也是在变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪（MPPT）这一功能。
图3-5
太阳能逆变器实物图
3.4需求分析
本设计用电系统是一个三口之家，居住在一个一百平方米左右的的两居室，太阳能电池板铺设在房屋的顶棚上。客厅内配有是液晶电视机一台（功率约为100W），空调一台（功率约为2000W），厨房内配有电磁炉一台（功率约为2000W），电冰箱一台（功率约为300W），电饭煲一个（功率约为1500W），主卧室内放着一台台式电脑（功率约为300W），次卧室内放有一台笔记本电脑（功率约为100W），整个屋子的照明设施有若干个（功率约为300W），其它（饮水机，充电器等）功率约为400W，总计功率为7000W。具体情况如下表所示。
表3-1家用负载的计算
电器
液晶电视机
电冰箱
空调
电磁炉
电饭煲
照明工具
台式计算机
笔记本计算机
饮水机，充电器等
总功率数量一台一台一台一个一个若干一台一台若干功率约为100W 300W 2000W 2000W 1500W 300W 300W 100W 400W 7000W 每天运行时间5个小时4个小时1个小时1个小时2个小时4个小时3个小时4个小时2个小时每日消耗电量0.5度1.2度2.0度2.0度3.0度1.2度0.9度0.4度0.8度12度
为了充分满足该用户的需要，决定留出充裕的额度，决定采用正常情况下每日可以发出十五度到二十度左右的系统，已备日后填充家电，更好的留出了备用容量，已备不时之需。
3.5系统设计
目前，国内的光伏发电系统主要是以直流系统为主，但最普遍的电力负载是交流负载。对于家居用电来说，基本全部都是交流负载，所以本设计主要针对交流负载。
整个太阳能家用照明系统如图所示：白天，光伏电池接收太阳的光能并转换成电能，存储在蓄电池中；夜间，控制器将蓄电池存储的电能变换成50Hz 交流电供电器使用，达到节能的目的。由于太阳光的不连续性、光伏电池在晚上或者阴雨天没有办法发电，所以本设计将蓄电池通过一个正偏二极管和继电开关与蓄电池连接在一起，最大程度利用太阳能。设计蓄电池的容量维持连续阴雨天气的最长天数为3天。结合阴雨天的稳定性考虑，该系统日发电量在15度到二十度之间，完全满足该三口之家的需求。系统配备市电备用，主要应对长时间连续阴雨天气造成的供
电不足。整个装置由控制器进行控制：
图3-6家用太阳能供电系统框图
图3-7主控制回路原理图
光伏电池通过一正偏二极管、继电开关与蓄电池连接起来。系统的工作原理是：在控制器的作用下，光伏电池向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给负载。控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)确保蓄电池组不因过充电或过放电而被损坏，最大程度的利用太阳能。由于光伏电池输出电压不稳定，这样会对后端电路产生影响，所以采用Buck 电路实现DC/DC变换，得到稳定直流输出36V，再通过逆变电路实现DC/AC，得到所需的交流电。控制器由STC12C5410AD 和SG3525组成。在DC/AC输出电压通过变压、整流、滤波后将反馈电压EA 送SG3525进行控制。SG3525根据EA 的值调整PWM_0_O来控制Buck
电路，如果无偏差时，按照
原来固定脉宽输出，如有偏差时，SG3525改变PWM_0_O的输出脉宽进行调整。STC12C5410AD 则控制SG3525的启动与停止。整个电路形成一个闭环控制。本设计只针对照明，所以设计输出为220V/50Hz的方波，由STC12C5410AD 产生50Hz 的方波来控制逆变电路实现DC/AC逆变。本系统还设计了市电备用，STC12C5410AD 根据预先设定的情况对继电开关进行控制，继电器的控制如下表所示。正常工作时，充电开关KA 开启，切换开关KB 工作在逆变状态，市电备用开关KC 关闭。STC12C5410AD 通过电阻分压对蓄电池的端电压进行AD 采样检测，当白天光照强烈导致电池板输出电压过高，STC12C5410AD检测到蓄电池过压时，控制器断开太阳能板的充电开关KA，停止对蓄电池充电，以实现过压保护功能；如果在夜间出现蓄电池所储存的电量不足或者遇到连续阴雨天时，STC12C5410AD检测蓄电池处于欠压状态，开启市电备用开关KC，切换开关KB 工作在市电备用状态。STC12C5410AD 检测到蓄电池过电压或者欠电压时，发出声光警报，绿灯亮表示正常工作，红灯亮表示欠压、黄灯亮表示过压。当STC12C5410AD 检测到电路欠压故障时，关闭SG3525工作，以实现欠压保护功能。
表3-2继电器工作组合表
第四章软件的设计
4.1主程序模块
整个主程序系统流程如图所示：
图4-1
主程序流程图
4.2子程序模块
4.2.1I/O设置模块
STC12C5410AD 单片机的I/O口共有4种工作模式：传统8051的准双向口、推挽输出、开漏输出和仅为输入(高阻)方式。每个I/O引脚工作模式都可以通过设置内部控制寄存器PnM0和PnM1（n为0~3四个端口，每个寄存器都有八个位)中两个相对应的位来实现独立设置。STC12C5410AD单片机上电复位后为准双向口（传统8051的I/O口）模式
表4-1PnM 口工作模式设置PnM0
[7：0]
1
1PnM1[7：0]0101A/D转换所需时间准双向口（传统8051I/O口模式）推挽输出（强上拉输出）仅为输入高阻(该I/O口需作为A/D使用，可选此模式) 开漏(如果该I/O口需作为A/D使用，可选此模式)
4.2.2A/D采样模块
ST12C5410AD 内置8路10位高速A/D转换器，电压输入型，与P1端口复用，速度均可达到100KHz(10万次/秒)。A/D转换通道的输入信号范围在0~5V，而检测的蓄电池电压在42V~55V，因此将检测到的蓄电池电压通过分压电路转换后再输入A/D口进行转换。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，因此，先将P1口中作为A/D使用的口设置为开漏模式，本设计将P1.2作为A/D口，即对P1M0和P1M1寄存器中.2的位置“1”，其中P1M0和P1M1地址：91h、92h。其次设置A/D转换控制特殊功能寄存器ADC_CONTR。ADC_CONTR寄存器的地址为C5H，启动AD 转换前一定要确认AD 电源已打开，AD转换结束后关闭AD 电源可降低功。
表4-2模数转换器转换速度控制位的控制模式
SPEED1
1
1
0SPEED01010A/D转换所需时间270个时钟周期转换一次540个时钟周期转换一次810个时钟周期转换一次1080个时钟周期转换一次
最后还要设置A/D转换结果特殊功能寄存器ADC_DATA/ADC_LOW2，寄存器的地址为分别为C6H 和BEH ，其中ADC_DATA寄存器全部8位有效，存10位A/D转换结果的高8位；ADC_LOW2寄存器只有低2位有效，存10位A/D转换结果的低2位。
4.2.3PWM 信号模块
电路通过控制PWM_1和PWM_2信号，使VT 1和VT 2交替开启和关断，从而实现
DC/AC逆变。PWM信号是通过STC12C5410AD 的定时器中断T0产生。当出现连续阴雨天气或者夜间蓄电池供电不足需要市电备用时，关闭PWM 信号输出，停止DC/AC逆变。PWM信号输出的子程序流程如图所示。
图4-2PWM 输出子程序流程
4.2.3异常情况处理模块
异常情况时是指蓄电池端电压在白天出现的过压或欠压和夜间出现的欠压状态。
白天异常情况包括太阳光太强烈造成的蓄电池过电压情况和连续阴雨天气所造成的蓄电池欠压情况。白天出现过电压情况时：当蓄电池端电压出现过压时，说明蓄电池电已充满，此时无需给蓄电池充电。当采样到电压处于过电压状态，则产生一个“过压”标志，就断开电池板与蓄电池的继电器，声光报警。白天出现欠压情况时：当蓄电池端电压出现欠压状态时，说明天气可能是阴雨天（不考虑出现物体遮住光伏电池板）。当采样到电压处于过电压状态，则产生一个“欠压”标志，声光报警，开启市电备用。其异常情况处理子程序流程图如图4-3
所示。
夜间异常情况主要是出现欠压状态，当采样到电压处于欠压状态，则产生一个“欠压”标志，声光报警，开启市电备用。如出现其它情况，说明电路出现故障。
图4-3（a ）白天异常情况处理流程图
(b)
夜间异常情况处理流程图
结论
本次毕业设计以太阳能家用供电系统为研究对象，设计了一种太阳能家用供电系统控制器，此控制器具有自动稳压调压功能；电路故障自动报警；市电备用，以保证设备不断电；还具有过压、欠压保护等功能。本设计先是对太阳能电池板、蓄电池、DC/DC变换器、DC/AC逆变器等太阳能家用供电系统组件进行分析，通过方案比较设计太阳能家用供电系统控制器，基本实现预期目标。本设计取得了一些进展，市电备用切换、过压欠压保护、声光报警功能，同时还产生两路50Hz 的方波作为DC/AC逆变器的驱动信号，运行可靠。但也存在一些问题，如电路电源工作稳定性还未达到预期目的，所以提高系统的效率和可靠性，改善控制效果是下一步研究的内容。此外还可以进一步深入研究，如：输出正弦波电压、供LED 照明、负载保护、输出显示等其他控制功能的实现，并往与市电并网方向发展。
参考文献
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