毕业设计(2kw风光互补发电系统设计光伏发电部分)(编辑修改稿)

毕业设计(2kw风光互补发电系统设计光伏发电部分)(编辑修改稿)内容摘要：

件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。 逆变器：逆变系统是把 蓄电池中的直流电变成标准的 220V 交流电，保证交流电在设备的正常使用。 同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。 对一个风光发电系统而言，逆变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。 太阳能电池 风力发电机 微机控制系统 逆变器 蓄电池 兰州交通大学毕业设计（论文） 9 3 光伏发电介绍 太阳能光伏电池的原理 太阳能光伏电池 (简称光伏电池 )用于把太阳的光能直接转化为电能。 目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。 在能量转换效率和使用寿命等综 合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。 多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。 另外，还有其它类型的太阳电池。 太阳能电池的能量转换是应用 PN 结的光伏效应 （ Photovoltaic Effect）。 首先对 PN结二极管做一简单说明。 如图 31 所示，为一理想的 PN 结二极管的电流 电压（ IV）特性图，其对应的方程式如下：     1e xp1e xpTpnspnspn nVVInk TqVII （ 1） Ipn， Vpn： PN 结二极管的电流及电压 k：波尔兹曼常数（ Boltzmann Constant： 1023J/K） q：电子电荷量（ 1019 库仑） T：绝对温度（凯氏温度 K＝摄氏温度＋ 273 度） Is：等效二极管的逆向饱和电流 VT：热电压（ Thermal Voltage： ） 太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子 光子（ Photons），而每个光子所携带的能量为 Eph：    hcEph  （ 2） h：普郎克常数（ Planck Constant： 1015eVS） c：光速（ 3108m/s） λ：光子波长 兰州交通大学毕业设计（论文） 10 图 31 PN结二极管 IV特性图 但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样。 当光子所携带的能量大于禁带（ Band Gap）能量时，电子由价电带（ Valence Band）跃迁至导电带（ Conduction Band）而产生所谓的 “ 电流 ” ，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时，便可以通过光电子转换成电能。 当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太 阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多 “ 电子 空穴 ” 对，在内建电场的作用下，电子向 N 型区移动，空穴向 P 型区移动，这样， N 区 有很多电子， P 区有很多空穴，在 PN 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使 P 区带正电， N 区带负电，于是在 N 区与 P 区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的 “光生伏打效应 ”。 如果位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被 PN 结分开的电子和空穴，就会全部积累在 PN 结附近，于是出现了最大光生电动 势，它的数值即为开路电压，记作 Voc。 如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有 PN 结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作 ISC。 太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄 PN 结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图 32所示。 图 32 太阳能电池的理想状态等效电路 太阳能电池 板 的 计算 硅太 阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率 WP。 太阳能发电功率量值取决兰州交通大学毕业设计（论文） 11 于负载 24h 所能消 耗的电力 H(WH)，由负载额定电源与负载 24h 所消耗的电力，决定了负载 24h 消耗的容量 P(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流 IP(A)。 由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压 VF (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压 VT(v)及反充二极管 PN 结的压降 VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压 VP(V)，由太阳电池阵列工作电源 IP(A)与工作电压 VP(V)，便可决定平板式太阳能板 发电功率 WP，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量 WP 与太阳能电池阵列工作电压 VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。 太阳能电池阵列的具体设计步骤如下： 计算负载 24h 消耗容量 P。 P=H/V （３） V——负载额定电源 选定每天日照时数 T(H)。 计算太阳能阵列工作电流。 IP=P(1+Q)/T （４） Q——按阴雨期富余系数， Q=～ 确定蓄电池浮充电压 VF。 镉镍 (ＧＮ )和铅酸 (ＣＳ )蓄电池的单体浮充电压分别为 ～ 和。 太阳能电池温度补偿电压 VT。 VT=(T25)VF （５） 计算太阳能电池阵列工作电压 VP。 VP=VF+VD+VT （６） 其中 VD=～ ，约等于 VF 太阳电池阵列输出功率ＷＰ平板式太阳能电板。 WP=IPUP （７） 根据 VP、 WP 在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。 太阳电池阵列的伏安特性如图 5。 由图可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。 太阳电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的 ：当日射 S=l000W／㎡；太阳电池温度T=25；大气质量 AM= 时，太阳电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。 太阳电池阵列额定功率的单位为 “峰瓦 ”，记以 “WP”。 当日射 S1000W／㎡时。 兰州交通大学毕业设计（论文） 12 图 33 太阳电池阵列的伏安特性曲线 温度和日照强度的变化对太阳电池的伏安特性都有影响，在仅改变日照强度而保持其它条件 (如太阳电池温度和大气质量等 )不变的情况下。 计算出每天消耗的瓦时数 (包括逆变器的损耗 )： 逆变器的转换效率为 90％，则当输出功率为 100W 时，则实际需要输出功率应为 100W/90％ =111W；若按每天使用 8 小时，则耗电量为 111W*8 小时 =888Wh。 按每日有效日照时间为 6 小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为 888Wh/6h/70%=210W。 其中 70％是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。 兰州交通大学毕业设计（论文） 13 4 蓄电池 充电控制器的 设计 在整体方案的指导下，依据工程设计的常见思路，本论文从硬件电路设计和软件设计两个方面入手，运用模块化的设计方法去进行控制器的设计。 硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统、充放电电路、光耦驱动电路、A/D 转换电路、 LCD 显示电路、 E2PROM 数据存储电路、串口通信电路等。 下面先从系统层次原理图入手，对系统原理进行详细的分析，然后再对具体电路地进行一一介绍。 系统层次原理图 系统层次原理图 如图 41 所示，电路设计以 STC89C52 单片机 作为主控芯片构成控制电路模块对整个电路控制。 首先采用并联分压方式对蓄电池电压采集后，送到 AD 模块中的 A/D 转换 器进行转换 得到一个数字信号的电压值，再将 此信号 送入到 控制模块中 单片机进行处理 ；然后在软件程序控制下， 单片机输出 控制信号送到充放电模块中，经光耦 驱动 电路 来 控制 MOSFET。 控制 MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制 (PWM)，根据 载荷 变化来调制 MOSFET 管栅的偏置，达到实现开关功能。 VCCGNDPWMFUZAI充放电模块充放电电路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和显示模块STC 单片机最小系统设计 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模块AD 转换 .SchDocVCCGNDSCKSDA数据保存模块E2PROM 存储电路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口调试模块RS232 串口通信 .SchDoc 图 41 系统原理图 最后通过通信模块实现数据的传送和保存。 串口通信模块采用 MAX232 芯片进行TTL 电平和 RS232 电平之间的转换，加入串口的目的主要是使控制器具有远程通信或远程监控功能，同时方便将每天的异常状态数据记录下来，供工作人员查看。 数据存储电路模块，使得当电压出现异常时，让蜂鸣器报警，同时把异常电压值通过 I2C 总线存放在 E2PROM 中，作为以后分析使用。 兰州交通大学毕业设计（论文） 14 单片机最小系统 STC89C52 的简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 存储器技术制造 ， 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 在芯片 内部 ，拥有 很高频率 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能 ： 8k字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时 器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， STC89C52 具有低功耗设计， 支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 而且 STC89C52 的工作频率很宽，可以在 0~35MHz之间选择，芯片具有超强抗干扰性，加密性强。 单片机的 最小系统及扩展电路 单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路得到很好的控制，首先必须构建最小系统是单片机可以工作起来。 本设计 单片机 最小系统扩展 电路包括上电复位电路， 时钟电路 ， 工作 指示灯 和蜂鸣器报警电路等。 （ 1）时钟电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入 端 和输出端分别是引脚 XTAL1 和 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 上外接时钟源即可构成时钟电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。 片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在 ~12MHz 之间选取。 时钟电路如 图 42 所示。 电路中 C C7 是反馈电容，其值在 5pF~30pF 之间选取 ， 本电路选用的电容为 30pF，晶振频率为。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 图 42 时钟电路 图 43 复位电路 兰州交通大学毕业设计（论文） 15 （ 2）复位电路 复位是单片机的初始化操作。 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，使单片机从0000H 单元开始执行程序。 除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。 单片机的复位电路如图 43 所示。 本系统采用的是上电 +电平按钮复位，上电复位是 通过外部复位电路的电容充电来实现的。 按钮复位是当按钮按下后，电源通过电阻R14 施加到复位端上，实现单片机复位。 复位电路虽然简单，但其作用非常重要。 一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。 初步检查可用示波器探头监视 RST 引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出 (瞬时的 )，还可以通过改变复位电路 电阻和电 容值进行实验。 （ 3）工作状态指示灯电路 本设计可以时刻检测蓄电池电压，为了更好的进行监控，要对整个电路的工作状态进行指示，这是很有必要的。 工作状态指示灯电路如图 44 所示。 其中 LED1 为正 常充电指示灯， LED2 为过压指示灯， L。