基于单片机控制的太阳能供电地下场照明系统设计_(编辑修改稿)

基于单片机控制的太阳能供电地下场照明系统设计_(编辑修改稿)内容摘要：

在 u1=E－ u0，根据能量守恒得： o ffon tIEUtEI 101 )(  整理得： EEtTEt ttUof fof fof fon 10  ( 10  ) (2 5) 因为 Ttoff ，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 Ttoff ，因此改变它便能改变 u0与导通占空比的关系： 1 于是，式 (25)可整理为： EEU   1 110 EVDRLViuooCi 1 图 27 升压式电路 图 28 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。 升降压式变换器 V 关断 VD 导通 V 导通 VD 关断 ont oft t t ii V T RCEVDLViuoouLi 1 i 2i L 图 29 升降压式电路 升降压式变换电路电路图如图 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 EuL ；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 0T时间内电感 L 两端电压 uL对 t的积分为 0，即  T dtuL0 0。 当 IGBT 元件 V 导通时， EuL ；而当它关断时， 0uuL  ，可得： 0)( 0  offon tUEt 因此，输出电压可表示为： offonttU0 onontTtE  EE 1 ( 10  ) BuckBoost 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。 库克式变换器 库克变换器是由美国 California Institute of Technology 的斯洛博丹库克提出来的，该电路的拓扑结构如下图 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 [2]。 E VDLViUL2oi L1RC2C1 L2i VD i c2 i o ++U c2+++U c1U VDUT 图 210 库克式电路 第三章 主要设备的选择 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。 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 PN结。 标准光照环境下，其额定输出电压一般在为 101V 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 %上下。 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 31所示 太 阳 能 电 池硅化 合 物晶 体非 晶 体硒 铟 铜 、 碲 化 镉砷 化 镓 、 磷 化 铟单 晶多 晶薄 膜 式 晶 体 图 31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。 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 [3]。 计算方法如下： DCCDfDCRs UUUUUUN /)(/  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 313）： )(107 7 4 hHH t  104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 31 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Φ op 斜面日辐射量 修正系数 Kop 哈尔滨市 Φ＋ 长春市 Φ＋ 沈阳市 Φ＋ 北京市 Φ＋ 天津市 Φ＋ 呼和浩特市 Φ＋ 太原市 Φ＋ 乌鲁木齐市 Φ＋ 西宁市 Φ＋ 兰州市 Φ＋ 银川市 Φ＋ 西安市 Φ＋ 上海市 Φ＋ 南京市 Φ＋ 合肥市 Φ＋ 杭州市 Φ＋ 南昌市 Φ＋ 福州市 Φ＋ 济南市 Φ＋ 郑州市 Φ＋ 武汉市 Φ＋ 长沙市 Φ＋ 广州市 Φ－ 海口市 Φ＋ 南宁市 Φ＋ 成都市 Φ＋ 贵阳市 Φ＋ ②太阳能电池方阵日发电量 QP ZOPOCP CHKIQ  其中， IOC 是太阳能电池方阵最佳工作电流； KOP 代表斜面修正系数（参考表 31）；CZ是修正系数，通常取用 [13]. ③最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 本设计的特殊之处就在于此，是因为设计时将此段时间内损耗的蓄电池量补充考虑进来，蓄电池容量补充计算方法如下 NKQB Lcb NVPQ LL  / 太阳能电池组件并在一起的选择可按下式计算： )/()( WPLWcbP NNBN  根据太阳能电池方阵的串并联数，便能够计算出所选取的 组件的功率 [13] PSo NNPP。