小型光伏系统控制模块的设计【字数：9576】
摘 要根据光生伏特效应，太阳能电池将光能转化为电能，由此可以制备太阳能电池板。在此基础上衍生出了太阳能光伏发电系统，其主体部分包括太阳能板组件，逆变器和控制器等部件。光伏器件设备具有维护简便，使用寿命长等特点。太阳能是最普遍的自然资源,也是不可多得的可再生能源。为解决边远畜牧地区、偏远山区、孤岛等地方人们日常对电力的需求,改善生活水平,进行了小型太阳能光伏发电系统的设计。控制器的功能包括蓄电池充放电控制、电压监控、蜂鸣器警报、电路稳压的设计。现在通过Arduino开发板设计控制器控制，成功实现充放电相应功能。组装测试运行以来,系统工作稳定正常,验证了设计的正确性。
目录
1. 绪 论 1
1.1课题研究背景 1
1.3课题研究的主要内容 1
2.系统总体设计 2
2.1太阳能电池简介 2
2.2蓄电池简介 3
2.3充电控制策略 4
3.硬件电路 5
3.1充放电路设计 7
3.2 OLED显示电路设计 8
3.3稳压电路设计 9
3.4蜂鸣器报警电路设计 10
3.5电压采集电路设计 10
3.6 复位电路设计 11
4. 软件电路 12
4.1系统主程序 12
4.2电压采集及数据转换模块 13
4.3显示模块 13
4.4调试和测试 15
结语 16
参考文献 17
致 谢 18
1. 绪论
1.1课题研究的背景
能源是人们赖以生存和发展极为重要的物质基础，随着本世纪初全球人口数量的膨胀，人类社会对能源的需求迅速增加。第二次工业革命以来，以煤炭、石油为代表的化石不可再生能源也只能应付人类社会未来两百年的需求，远远不能满足未来的发展。化石能源的使用，将会排放大量碳氧化合物、氮氧化合物、硫化物以及其他有害气体，会引发酸雨，增强温室效应，使全球温度升高，冰川融化，海平面上升，直接造成空气污染，导致短时间内难以逆转的生态破坏，恶性循环，严重影响了人类社会的绿色健康发展。可以预测本世纪中后期，推行新能源发展， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
普及新能源设备势在必行。
全球化石能源的储量日益减少，由于化石能源短时间内的不可再生性，人类社会将面临严峻挑战。为了保证生态平衡，减少臭氧污染破坏，维持能源的稳定供给，国际社会都在深度推行清洁高效的可再生能源。相比水利、地热、核能等新能源，太阳能发电拥有无污染、要求低、成本低、易于维护等优点，成为新能源开发中的重点发展对象。此外，根据理论模型演算,现阶段46亿年的太阳仍然能提供将近50亿年的光能，是取之无尽不可多得的能源。过多年的研究，光伏发电技术已经逐步走向成熟，在本世纪中后期，光伏发电必将全面普及。随着技术的不断创新发展，新型光伏材料问世，不久的未来，化石能源终将被光伏能源逐渐替代。光伏发电系统一般有并网和分散式两种建设方式。并网光伏发电系统的主要功能是指通过逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电输送到公用电网中。一般大型并网光伏发电系统都是由国家相关部门统一规划建设，产生的电能由其统一调配输送到千家万户，但是具有建设周期长、资金投入量大、发展难度大等特点。小型分散式并网光伏发电系统，其具有占地小、规划简便、投入资低、国家政策扶持等优越性成为目前并网系统规划发展的主要形式。
1.2课题研究的主要内容
基于Arduino开发软件，对光伏发电控制器功能做出设计。相应部分包括主程序设计，电压采集和显示。设计着重于控制蓄电池如何充放电来达到解决蓄电池过充放的目的。解决蓄电池如何充放能相应解决过充过放问题，对蓄电池有保护作用，能延长蓄电池寿命。
2.系统总体设计
设计目的在于设计出一个光伏发电控制器。组成光伏发电系统的必要部分有太阳能板、储存器件和充放电控制器。系统基本结构如下图2.1所示：控制器对蓄电池充放电进行控制；充电时，光能经太阳能板转换为电能储存于蓄电池中，变为化学能；放电时，再由化学能转为电能向负载供电。
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图2.1 系统基本结构
2.1太阳能电池简介
太阳能电池是一种利用太阳光发电的光电半导体器件。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出一定电压，在有回路的情况下能产生电流。根据光电效应，太阳能电池把光能转化为电能。
目前主要有三种太阳能电池：单晶、多晶和非晶硅太阳能电池。以现阶段来说，技术最为成熟可靠的是单晶硅太阳能电池。单晶硅类型的太阳能电池以高纯度的单晶硅为制备原料，因考虑到制备成本和技术要求，而难以得到普及和使用。为了降低成本，降低制备要求，可以用半导体器件的头尾料甚至是次废品进行加工制备。近十年来光电池技术的大幅度发展和创新，光电转化率最高能达到15%；多晶硅型是利于化学气相沉积工艺优化后的新型光电池，其具有转换效率高和长寿命的特点，转换效率大概为17%到18%，稍低于高纯度的单晶硅电池，长久使用后，效率无明显变化，并且制备衬底要求低，成本远低于单晶硅电池。非晶硅太阳能电池主要以无定型硅为材料，内部独立原子在电场作用下发生跃迁而产生光电流。优越性在于造价低，但是鉴于稳定性差，光电转换效率通常只有4%到8%，目前只适用于弱性光源。
2.2蓄电池简介
化学电池是能将化学能转化为电能的器件。放电后，通过充电将蓄电池内部活性物质发生反应，此过程即为电能转变为化学能，而需要放电时再把化学能转换为电能。本设计采用铅酸蓄电池。蓄电池充电时，正负极分别进行氧化和还原反应，将电能转变为化学能。由于铅酸蓄电池充放电的可逆性，可以充放电循环。铅酸蓄电池中硫酸是影响充放电性能的重要因素，硫酸所占电解液的比重可以作为蓄电池充放电效果的指标。
蓄电池作为储能器件是光伏发电系统中的必要成分，其充放电性能直接影响整个系统的性能。优先解决蓄电池过充过放问题有利于维护系统整体稳定性，确保蓄电池向负载供电或者太阳能电池板向蓄电池供电时的高效性。
2.3充电控制策略
作为整个系统的关键部分，光伏发电系统控制器的优劣直接影响控制能力。太阳能板经光生伏特效应产生电压，但是由于电压的不稳定性，不能直接供给蓄电池进行充电或者负载，需要通过稳压电路进行正常输出稳定平滑的电压。系统通过程序指令控制太阳能板产生的电压，能有效防止电压突变对蓄电池带来的损伤，利于蓄电池的使用寿命。通过资料查询，考虑以下三种充电方式。
方法一:阶段横流式充电。充电时的电流曲线如下图2.2所示。整个过程中逐步降低电流，将其分为多段式充电，充电时间小幅度减少，且能延长使用寿命，还能提高电能利用率。根据理论和实验，分段越多，充电效果越好。考虑到充电器成本和设备体积等影响因素，合理的充电方式为5段式充电。5段式充电能有效利用电流变化幅度。大量实验表明，阶段式恒流充电控制策略减少了五分之一的充电时间，使用寿命能延长一倍以上。
目录
1. 绪 论 1
1.1课题研究背景 1
1.3课题研究的主要内容 1
2.系统总体设计 2
2.1太阳能电池简介 2
2.2蓄电池简介 3
2.3充电控制策略 4
3.硬件电路 5
3.1充放电路设计 7
3.2 OLED显示电路设计 8
3.3稳压电路设计 9
3.4蜂鸣器报警电路设计 10
3.5电压采集电路设计 10
3.6 复位电路设计 11
4. 软件电路 12
4.1系统主程序 12
4.2电压采集及数据转换模块 13
4.3显示模块 13
4.4调试和测试 15
结语 16
参考文献 17
致 谢 18
1. 绪论
1.1课题研究的背景
能源是人们赖以生存和发展极为重要的物质基础，随着本世纪初全球人口数量的膨胀，人类社会对能源的需求迅速增加。第二次工业革命以来，以煤炭、石油为代表的化石不可再生能源也只能应付人类社会未来两百年的需求，远远不能满足未来的发展。化石能源的使用，将会排放大量碳氧化合物、氮氧化合物、硫化物以及其他有害气体，会引发酸雨，增强温室效应，使全球温度升高，冰川融化，海平面上升，直接造成空气污染，导致短时间内难以逆转的生态破坏，恶性循环，严重影响了人类社会的绿色健康发展。可以预测本世纪中后期，推行新能源发展， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
普及新能源设备势在必行。
全球化石能源的储量日益减少，由于化石能源短时间内的不可再生性，人类社会将面临严峻挑战。为了保证生态平衡，减少臭氧污染破坏，维持能源的稳定供给，国际社会都在深度推行清洁高效的可再生能源。相比水利、地热、核能等新能源，太阳能发电拥有无污染、要求低、成本低、易于维护等优点，成为新能源开发中的重点发展对象。此外，根据理论模型演算,现阶段46亿年的太阳仍然能提供将近50亿年的光能，是取之无尽不可多得的能源。过多年的研究，光伏发电技术已经逐步走向成熟，在本世纪中后期，光伏发电必将全面普及。随着技术的不断创新发展，新型光伏材料问世，不久的未来，化石能源终将被光伏能源逐渐替代。光伏发电系统一般有并网和分散式两种建设方式。并网光伏发电系统的主要功能是指通过逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电输送到公用电网中。一般大型并网光伏发电系统都是由国家相关部门统一规划建设，产生的电能由其统一调配输送到千家万户，但是具有建设周期长、资金投入量大、发展难度大等特点。小型分散式并网光伏发电系统，其具有占地小、规划简便、投入资低、国家政策扶持等优越性成为目前并网系统规划发展的主要形式。
1.2课题研究的主要内容
基于Arduino开发软件，对光伏发电控制器功能做出设计。相应部分包括主程序设计，电压采集和显示。设计着重于控制蓄电池如何充放电来达到解决蓄电池过充放的目的。解决蓄电池如何充放能相应解决过充过放问题，对蓄电池有保护作用，能延长蓄电池寿命。
2.系统总体设计
设计目的在于设计出一个光伏发电控制器。组成光伏发电系统的必要部分有太阳能板、储存器件和充放电控制器。系统基本结构如下图2.1所示：控制器对蓄电池充放电进行控制；充电时，光能经太阳能板转换为电能储存于蓄电池中，变为化学能；放电时，再由化学能转为电能向负载供电。
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图2.1 系统基本结构
2.1太阳能电池简介
太阳能电池是一种利用太阳光发电的光电半导体器件。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出一定电压，在有回路的情况下能产生电流。根据光电效应，太阳能电池把光能转化为电能。
目前主要有三种太阳能电池：单晶、多晶和非晶硅太阳能电池。以现阶段来说，技术最为成熟可靠的是单晶硅太阳能电池。单晶硅类型的太阳能电池以高纯度的单晶硅为制备原料，因考虑到制备成本和技术要求，而难以得到普及和使用。为了降低成本，降低制备要求，可以用半导体器件的头尾料甚至是次废品进行加工制备。近十年来光电池技术的大幅度发展和创新，光电转化率最高能达到15%；多晶硅型是利于化学气相沉积工艺优化后的新型光电池，其具有转换效率高和长寿命的特点，转换效率大概为17%到18%，稍低于高纯度的单晶硅电池，长久使用后，效率无明显变化，并且制备衬底要求低，成本远低于单晶硅电池。非晶硅太阳能电池主要以无定型硅为材料，内部独立原子在电场作用下发生跃迁而产生光电流。优越性在于造价低，但是鉴于稳定性差，光电转换效率通常只有4%到8%，目前只适用于弱性光源。
2.2蓄电池简介
化学电池是能将化学能转化为电能的器件。放电后，通过充电将蓄电池内部活性物质发生反应，此过程即为电能转变为化学能，而需要放电时再把化学能转换为电能。本设计采用铅酸蓄电池。蓄电池充电时，正负极分别进行氧化和还原反应，将电能转变为化学能。由于铅酸蓄电池充放电的可逆性，可以充放电循环。铅酸蓄电池中硫酸是影响充放电性能的重要因素，硫酸所占电解液的比重可以作为蓄电池充放电效果的指标。
蓄电池作为储能器件是光伏发电系统中的必要成分，其充放电性能直接影响整个系统的性能。优先解决蓄电池过充过放问题有利于维护系统整体稳定性，确保蓄电池向负载供电或者太阳能电池板向蓄电池供电时的高效性。
2.3充电控制策略
作为整个系统的关键部分，光伏发电系统控制器的优劣直接影响控制能力。太阳能板经光生伏特效应产生电压，但是由于电压的不稳定性，不能直接供给蓄电池进行充电或者负载，需要通过稳压电路进行正常输出稳定平滑的电压。系统通过程序指令控制太阳能板产生的电压，能有效防止电压突变对蓄电池带来的损伤，利于蓄电池的使用寿命。通过资料查询，考虑以下三种充电方式。
方法一:阶段横流式充电。充电时的电流曲线如下图2.2所示。整个过程中逐步降低电流，将其分为多段式充电，充电时间小幅度减少，且能延长使用寿命，还能提高电能利用率。根据理论和实验，分段越多，充电效果越好。考虑到充电器成本和设备体积等影响因素，合理的充电方式为5段式充电。5段式充电能有效利用电流变化幅度。大量实验表明，阶段式恒流充电控制策略减少了五分之一的充电时间，使用寿命能延长一倍以上。
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