太阳能镍氢电池充放电系统的设计
目 录
第一章 引言 1
(一)研究背景及意义 1
(二)国内外太阳能电池发展现状分析 1
(三)本论文主要内容和设计要求 2
第二章 太阳能电池控制系统概述 3
(一)镍氢电池的充放电特性 3
(二)太阳能电池的输出特性分析 4
(三)太阳能电池控制方法 6
第三章 硬件电路设计 9
(一)系统方案设计框图 9
(二)单片机最小系统设计 9
(三)太阳能充放电控制电路设计 11
(四)光耦开关电路 12
(五) 液晶电路设计 12
第四章 软件程序设计及调试 15
(一)太阳能充电程序设计 15
(二) 液晶显示控制设计 15
(三)Keil软件程序仿真调试 16
第五章 太阳能控制器应用 23
总 结 24
致 谢 25
参考文献 26
附录1：程序 27
附录2：太阳能镍氢电池充放电硬件电路总图.30
一、引言
（一）研究背景及意义
在当今世界高度工业化进程中，人类已经在工业化的进程中取得了较快的进步，然而，高度工业化也暴露出了许多新的问题，并引起了各国的高度关注；其中，就包括世界能源问题。据相关统计，世界十大焦点问题第一位就是能源问题。因此，对新能源太阳能的开发成为了一项非常重要而紧迫的任务。目前，比较成功的节能项目工程就是光伏发电，它通过半导体的光生伏特的效应，直接将光能转变为能被直接利用的电能。这项技术首先通过对半导体纯硅掺入5电子的原子或3电子的原子，常见的是磷原子和硼原子，最终形成型半导 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
体或者型半导体。然后将P型和N型半导体通过相关技术结合在一起，在接触面部分形成电势差，一有太阳光照射到接触面时，便形成了可移动的电子，从而形成了电流，完成了光到伏特的转变。光伏发电具备诸多优点：方便,通用、安全可靠、污染小、无枯竭、可存储等传统发电项目无法完全具备的优势。并且，地下硅其蕴藏量十分丰富，可以为太阳能电池制造提供丰富的原料。随着光伏发电技术的重视，其转换效率的不断提高、而生产成本越来越低，为无法建立常规发电站的边远缺电地区的中小功率的离网创造了极好的条件，并使得光伏发电项目成为可能。
（二）国内外太阳能电池发展现状分析
太阳能电池已经经历了数代发展，并且，现在技术已经日趋成熟。
第一代太阳能电池以多晶硅和单晶硅为主。
第二代太阳能电池主要是利用现代的薄膜材料构成的。相对于晶体硅的太阳能电池而言，采用薄膜技术所需的材料更少，且能够促成大规模盛产[9]。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜、铜铟硒薄膜电池以及碲化镉电，池四种[10]。
第三代太阳电池必须具有以下要求：较高的转换效率、薄膜化条件，大量且不会生成有毒的物质。现在，国内外对第三代太阳电池的研究还处于理论研究阶段，主要包括简单试验和概念的研究。它们提出了多带隙太阳电池、叠层太阳电池等太阳能第三代电池[12]。虽然目前国内外太阳能电池材料的研究取得了较大的进步，但是该中电池材料无论在制造成本还是工艺技术上，都无法达到常规的硅电池水平。经过长时间的研究努力，制造硅太阳能电池的成本降低了许多，但是与常规能源相比，硅太阳能电池成本仍然更加高，这俨然成了硅电池的规模级应用的难题。于是，对既高效率又低成本的太阳能电池还需要更进一步的研究 [3]。
（三）本论文主要内容和设计要求
本系统选用的是STC12C5A60S2型单片机，设计一款太阳能氢镍电池系统控制器，控制它对氢镍蓄电池进行充电。本文主要研究内容如下：
1）第一先对本课题的研究背景及意义做了相应的概述，然后又对国内外太阳能电池的发展情况作了综述，最后概括本论文的主要研究内容及设计要求；
2）对太阳能电池的控制概述，并分析镍氢电池的充放电特性关系、太阳能电池的输出特性，并介绍太阳能电池的控制方法，最终得出本太阳能充放电控制系统的设计方案。
3）对本论文的硬件系统进行设计，硬件电路由系统控制模块、太阳能电池的充放电时的控制模块电路、液晶显示输出以及电源供电模块组成，以及太阳能光伏电池板和镍氢电池组成。
4）对软件程序进行设计，得出软件流程框图，并进行仿真调试。最终完成该论文的设计。
二、太阳能电池控制系统概述
（一）镍氢电池的充放电特性
镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极并且具有碱性的电解液，常见的有NQ形式的KOH溶液，
1、镍氢电池充电特性
通过研究镍氢电池恒流充电电压特性，描绘如图2-1所示的试验曲线。由图2-1可看出，在充电起始阶段，电池端电压上升斜率较大，接着上升斜率降低，而接近电池容量时，电压将呈现微降。
图2-1 镍氢电池恒流充电电压特性
对室温条件下的镍氢电池充电过程进行监控，并记录其充电过程中的温度变化，可以得到如图2.2所示的曲线分布特性。根据图2-2所示，当电池接近充电完成时，电池的温度会变得急剧上升。所以，对充电电池温度进行检控可以有效的避免温度影响或者破坏电池的平均寿命。
图2-2镍氢电池充电温度的特性曲线图
图2-3所示即为镍氢电池在5A恒流充电条件下的内阻特性曲线。通过图2-2可以得出，镍氢电池处于充电的绝大部分过程中时，内阻值较小，在0.02～0.03欧间变化，因此，充电效率较高。另外，实际电池内阻的测试数据显示其波动幅度较大，这主要是由于试验是在室温下进行的，电池内部的温升对电池内阻形成了一定的影响。
图2-3 镍氢电池充电过程中内阻特性曲线图
2、镍氢电池的放电特性分析
当电池处于9A恒定电流时，镍氢电池的端电压特性试验曲线由图2-4可以看出充满电的镍氢电池，在放电开始时，下降缓慢，而放电达到一定时间之后，电池端电压由缓慢变得大幅度下降；和铅酸电池相比，镍氢电池放电端电压对时间的下降梯度更缓。因而，在同样的条件下的试验结果表明，镍氢电池能够比普通电池放出更多能量。
图2.4 镍氢电池放电特性
（二）太阳能电池的输出特性分析
当有光照到半导体P-N结时，会形成新的空穴电子对，经过PN结电场的作用力，空穴（+）由N区向P区流动，电子则沿相反的方向运动，由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这称为光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能有两种发电方式，一种是光—热—电的转换方式，另一种是光—电直接的转换方式。
1）光—热—电的转换方式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蒸气，再驱动汽轮机发电。其转换包括两个过程：光—热转换过程和热—电转换过程。太阳能热发电具有低效率、高成本的缺点，预估它的投资至少要比普通火电站贵6～10倍。评估得到，建设一座产量为1000MW的太阳能电站需要投资的成本高达20～26亿美元，于是可以得到的平均投资约为2000～2600美元/kW。现在只能小规模地应用于特定的场合，而大规模的利用在经济上很不合算，无法跟替代掉的普通核电站和火电站相比。
第一章 引言 1
(一)研究背景及意义 1
(二)国内外太阳能电池发展现状分析 1
(三)本论文主要内容和设计要求 2
第二章 太阳能电池控制系统概述 3
(一)镍氢电池的充放电特性 3
(二)太阳能电池的输出特性分析 4
(三)太阳能电池控制方法 6
第三章 硬件电路设计 9
(一)系统方案设计框图 9
(二)单片机最小系统设计 9
(三)太阳能充放电控制电路设计 11
(四)光耦开关电路 12
(五) 液晶电路设计 12
第四章 软件程序设计及调试 15
(一)太阳能充电程序设计 15
(二) 液晶显示控制设计 15
(三)Keil软件程序仿真调试 16
第五章 太阳能控制器应用 23
总 结 24
致 谢 25
参考文献 26
附录1：程序 27
附录2：太阳能镍氢电池充放电硬件电路总图.30
一、引言
（一）研究背景及意义
在当今世界高度工业化进程中，人类已经在工业化的进程中取得了较快的进步，然而，高度工业化也暴露出了许多新的问题，并引起了各国的高度关注；其中，就包括世界能源问题。据相关统计，世界十大焦点问题第一位就是能源问题。因此，对新能源太阳能的开发成为了一项非常重要而紧迫的任务。目前，比较成功的节能项目工程就是光伏发电，它通过半导体的光生伏特的效应，直接将光能转变为能被直接利用的电能。这项技术首先通过对半导体纯硅掺入5电子的原子或3电子的原子，常见的是磷原子和硼原子，最终形成型半导 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
体或者型半导体。然后将P型和N型半导体通过相关技术结合在一起，在接触面部分形成电势差，一有太阳光照射到接触面时，便形成了可移动的电子，从而形成了电流，完成了光到伏特的转变。光伏发电具备诸多优点：方便,通用、安全可靠、污染小、无枯竭、可存储等传统发电项目无法完全具备的优势。并且，地下硅其蕴藏量十分丰富，可以为太阳能电池制造提供丰富的原料。随着光伏发电技术的重视，其转换效率的不断提高、而生产成本越来越低，为无法建立常规发电站的边远缺电地区的中小功率的离网创造了极好的条件，并使得光伏发电项目成为可能。
（二）国内外太阳能电池发展现状分析
太阳能电池已经经历了数代发展，并且，现在技术已经日趋成熟。
第一代太阳能电池以多晶硅和单晶硅为主。
第二代太阳能电池主要是利用现代的薄膜材料构成的。相对于晶体硅的太阳能电池而言，采用薄膜技术所需的材料更少，且能够促成大规模盛产[9]。薄膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜、铜铟硒薄膜电池以及碲化镉电，池四种[10]。
第三代太阳电池必须具有以下要求：较高的转换效率、薄膜化条件，大量且不会生成有毒的物质。现在，国内外对第三代太阳电池的研究还处于理论研究阶段，主要包括简单试验和概念的研究。它们提出了多带隙太阳电池、叠层太阳电池等太阳能第三代电池[12]。虽然目前国内外太阳能电池材料的研究取得了较大的进步，但是该中电池材料无论在制造成本还是工艺技术上，都无法达到常规的硅电池水平。经过长时间的研究努力，制造硅太阳能电池的成本降低了许多，但是与常规能源相比，硅太阳能电池成本仍然更加高，这俨然成了硅电池的规模级应用的难题。于是，对既高效率又低成本的太阳能电池还需要更进一步的研究 [3]。
（三）本论文主要内容和设计要求
本系统选用的是STC12C5A60S2型单片机，设计一款太阳能氢镍电池系统控制器，控制它对氢镍蓄电池进行充电。本文主要研究内容如下：
1）第一先对本课题的研究背景及意义做了相应的概述，然后又对国内外太阳能电池的发展情况作了综述，最后概括本论文的主要研究内容及设计要求；
2）对太阳能电池的控制概述，并分析镍氢电池的充放电特性关系、太阳能电池的输出特性，并介绍太阳能电池的控制方法，最终得出本太阳能充放电控制系统的设计方案。
3）对本论文的硬件系统进行设计，硬件电路由系统控制模块、太阳能电池的充放电时的控制模块电路、液晶显示输出以及电源供电模块组成，以及太阳能光伏电池板和镍氢电池组成。
4）对软件程序进行设计，得出软件流程框图，并进行仿真调试。最终完成该论文的设计。
二、太阳能电池控制系统概述
（一）镍氢电池的充放电特性
镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极并且具有碱性的电解液，常见的有NQ形式的KOH溶液，
1、镍氢电池充电特性
通过研究镍氢电池恒流充电电压特性，描绘如图2-1所示的试验曲线。由图2-1可看出，在充电起始阶段，电池端电压上升斜率较大，接着上升斜率降低，而接近电池容量时，电压将呈现微降。
图2-1 镍氢电池恒流充电电压特性
对室温条件下的镍氢电池充电过程进行监控，并记录其充电过程中的温度变化，可以得到如图2.2所示的曲线分布特性。根据图2-2所示，当电池接近充电完成时，电池的温度会变得急剧上升。所以，对充电电池温度进行检控可以有效的避免温度影响或者破坏电池的平均寿命。
图2-2镍氢电池充电温度的特性曲线图
图2-3所示即为镍氢电池在5A恒流充电条件下的内阻特性曲线。通过图2-2可以得出，镍氢电池处于充电的绝大部分过程中时，内阻值较小，在0.02～0.03欧间变化，因此，充电效率较高。另外，实际电池内阻的测试数据显示其波动幅度较大，这主要是由于试验是在室温下进行的，电池内部的温升对电池内阻形成了一定的影响。
图2-3 镍氢电池充电过程中内阻特性曲线图
2、镍氢电池的放电特性分析
当电池处于9A恒定电流时，镍氢电池的端电压特性试验曲线由图2-4可以看出充满电的镍氢电池，在放电开始时，下降缓慢，而放电达到一定时间之后，电池端电压由缓慢变得大幅度下降；和铅酸电池相比，镍氢电池放电端电压对时间的下降梯度更缓。因而，在同样的条件下的试验结果表明，镍氢电池能够比普通电池放出更多能量。
图2.4 镍氢电池放电特性
（二）太阳能电池的输出特性分析
当有光照到半导体P-N结时，会形成新的空穴电子对，经过PN结电场的作用力，空穴（+）由N区向P区流动，电子则沿相反的方向运动，由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这称为光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能有两种发电方式，一种是光—热—电的转换方式，另一种是光—电直接的转换方式。
1）光—热—电的转换方式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蒸气，再驱动汽轮机发电。其转换包括两个过程：光—热转换过程和热—电转换过程。太阳能热发电具有低效率、高成本的缺点，预估它的投资至少要比普通火电站贵6～10倍。评估得到，建设一座产量为1000MW的太阳能电站需要投资的成本高达20～26亿美元，于是可以得到的平均投资约为2000～2600美元/kW。现在只能小规模地应用于特定的场合，而大规模的利用在经济上很不合算，无法跟替代掉的普通核电站和火电站相比。
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