太陽(yáng)能照明系統(tǒng)研究與開發(fā)——單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　太陽(yáng)能照明系統(tǒng)研究與開發(fā)——單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣

2、工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b>&l

3、t;/p><p>　　在能源緊缺的今天—煤荒、電荒、燃油漲價(jià)、天然氣緊缺,開發(fā)、推廣可再生能源已成為熱門話題,新型替代能源、可再生能源前所未有地受到消費(fèi)者的關(guān)注。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)能源提出了越來越高的要求,尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。本文對(duì)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　本文對(duì)太陽(yáng)能照明的的功能及其工作原理進(jìn)行研究分析，介

4、紹了太陽(yáng)能電池的基本原理、特性，以及閥控式鉛酸蓄電池基本工作原理、特性；對(duì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能的電路進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；用功率比較法求取最大功率點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤和控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池，鉛蓄電池，最大功率點(diǎn)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　T

5、oday is in the energy shortage ，such as Mei Huang, electricity shortage, fuel prices, gas shortage. Development, promotion of renewable energy has become a hot topic, new alternative energy, renewable energy concerns by

6、consumers as never before. With economic development, social progress, people are raised higher and higher energy demands, finding new energy sources become an urgent issue facing humanity. In this paper, analysis of sol

7、ar lighting systems, solar lighting systems to achieve the </p><p>　　In this paper, solar lighting and the working principle of functional analysis, Introduces the basic principles and characteristics of sol

8、ar cells, and VRLA basic working principle ,characteristics; Solar cells to achieve maximum power point tracking for the overall design of the circuit; Comparison with the power to strike a maximum power point, to achiev

9、e maximum power point of solar tracking and control.</p><p>　　Keywords: Lighting system, Solar cells, Lead-acid batteries, Maximum power point</p><p><b>　　目錄</b></p><p>

10、<b>　　摘 要Ⅲ</b></p><p>　　AbstractⅣ</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景和意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)2</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容3&

11、lt;/p><p>　　第二章 太陽(yáng)能電池及蓄電池4</p><p>　　2.1太陽(yáng)能電池的基本原理4</p><p>　　2.2太陽(yáng)能電池的特性6</p><p>　　2.3閥控式鉛酸蓄電池基本工作原理9</p><p>　　2.4閥控式鉛酸蓄電池特性10</p><p>　　第三章 太

12、陽(yáng)能照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2控制器的整體結(jié)構(gòu)12</p><p>　　3.3太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)14</p><p>　　第四章 太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 Cuk變換器工作

13、原理17</p><p>　　4.2 DC／DC變換器主回路的線路結(jié)構(gòu)21</p><p>　　4.3 DC／DC變換器的驅(qū)動(dòng)電路23</p><p>　　4.4最大功率點(diǎn)跟蹤原理25</p><p>　　4.5功率比較法的軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　設(shè)計(jì)總結(jié)......................

14、.....................................28</p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................................29</p><p>　　致謝...............................................................30<

15、;/p><p>　　附錄...............................................................31</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的背景和意義</p><p>　　在能源緊缺的今天———煤荒、電荒、燃油漲價(jià)、天然氣緊缺,

16、開發(fā)、推廣可再生能源已成為熱門話題,新型替代能源、可再生能源前所未有地受到消費(fèi)者的關(guān)注。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步,人們對(duì)能源提出了越來越高的要求,尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。由于太陽(yáng)能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點(diǎn),太陽(yáng)能被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的能源。</p><p>　　可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用、取之不盡、用之不竭的資源,對(duì)環(huán)境無

17、害或危害極小,而且資源分布廣泛,適宜就地開發(fā)利用。除太陽(yáng)能以外,可再生能源主要還有風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?。太?yáng)能是可再生能源中的一種。太陽(yáng)能是指太陽(yáng)所負(fù)載的能量,它的計(jì)量一般是陽(yáng)光照射到地面的輻射總量,包括太陽(yáng)的直接輻射和天空散射輻射。</p><p>　　當(dāng)前,能源危機(jī)越演越烈。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)有的空調(diào)如果同時(shí)全部運(yùn)行,僅此一項(xiàng)就要耗電90GW,幾乎相當(dāng)于5座三峽電站的裝機(jī)容量。如果為了滿足用電的

18、需求而一味地新建水電站或火電站,將會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境;使本來已經(jīng)儲(chǔ)量不多的煤炭和石油快速耗盡,提前枯竭。屆時(shí),人類如果尚未有效突破新型電能的供給技術(shù),如核聚變發(fā)電、可再生能源發(fā)電等,人類的生存將會(huì)面臨危機(jī)。目前,應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的主要途徑:一是有效節(jié)能;二是快速發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生的自然能源發(fā)電技術(shù)。節(jié)約用電與用電設(shè)備和工程的節(jié)能設(shè)計(jì),已成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主題之一?？稍偕茉吹睦靡殉蔀楫?dāng)務(wù)之急[1]。</p><p

19、>　　太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的巨大能源。太陽(yáng)注入地球表面的能量（熱和光）密度，在轉(zhuǎn)換為電功率后約為1kW／m2，總功率可達(dá)1．25×108GW。太陽(yáng)能發(fā)電站已從過去的人造衛(wèi)星、無電區(qū)域照明、海洋燈塔等領(lǐng)域，擴(kuò)大應(yīng)用到電力工業(yè)。太陽(yáng)電池（光伏電池）是美國(guó)于1954年發(fā)明的，最早是用于人造衛(wèi)星。由于美蘇進(jìn)行宇宙開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，太陽(yáng)電池不斷改進(jìn)，但仍因價(jià)格高、能量轉(zhuǎn)換效率低而不能廣泛普及，地上應(yīng)用僅限于作為無人燈塔、無人中繼

20、站的電源。</p><p>　　LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物?！熬G色照明”是國(guó)外照明領(lǐng)域在上世紀(jì)80年代末提出的新概念，我國(guó)“綠色照明工程”的實(shí)施始于1996年。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。</p><p>

21、　　由于太陽(yáng)能技術(shù)在過去10年來的大幅度提高，太陽(yáng)能作為低功耗直流電源已實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，成本大幅度降低。LED技術(shù)和太陽(yáng)能技術(shù)可以說相得益彰，二者的結(jié)合可以在很大程度上擺脫對(duì)傳統(tǒng)電源和人工維護(hù)等方面的依賴和由此帶來的成本。使用太陽(yáng)能LED燈具有極高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可以免維護(hù)、節(jié)省能源和利于環(huán)保，同時(shí)具有高度的可靠性[2]。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)</p><p>　

22、　太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展雖然已有半個(gè)世紀(jì)的歷史，但是它的崛起和飛速發(fā)展卻是最近幾年的事?？偟内厔?shì)是從小規(guī)模的民用到大規(guī)模電力工業(yè)應(yīng)用，小的僅數(shù)lOW，大的已達(dá)6.5MW。</p><p>　　東南亞、非洲等地的尚未供電區(qū)域，已將陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)用作電燈和無線電的電源，太陽(yáng)電池容量較小。如大洋洲和太平洋島嶼的基里巴斯共和國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電裝置只有120W的太陽(yáng)電池、12V、100Ah的蓄電池和充放電控制裝置三部分組成，其中充

23、放電控制裝置卻是最關(guān)鍵的部分。</p><p>　　敘利亞阿拉伯共和國(guó)的陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)，則是由太陽(yáng)電池(35kW)、蓄電池(240V、1400Ah)及其充放電控制裝置、逆變器(30kW)、三相四線制配電線路(220V)等部分組成。我國(guó)甘肅省榆中縣的一座10kW獨(dú)立電源型陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)是由日本提供的全套設(shè)備，其中包括太陽(yáng)電池、蓄電池、控制器、逆變器等。1998年又在河北、內(nèi)蒙、甘肅、新疆等地建設(shè)14個(gè)4kW的陽(yáng)光發(fā)電系

24、統(tǒng)，1999年在寧夏、西藏等地建4個(gè)6kW的陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)，皆由日方提供設(shè)備。</p><p>　　陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)主要是利用學(xué)校、體育館、其它建筑物以屋頂、墻壁、商業(yè)街的拱廊、鐵道的站臺(tái)等以及其它現(xiàn)有地上設(shè)施裝設(shè)太陽(yáng)電池來發(fā)電的，如果這種陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)的屋頂裝設(shè)增加到1萬座以上時(shí)便被列為大規(guī)模應(yīng)用。比如日本的西條陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)容量為1000kW，是由1000kW的太陽(yáng)電池、500V直流母線、3個(gè)逆變器(分別為200kW、

25、400kW和400kW)、6．6kV交流母線、6．6kV配電線和15MW的變電所組成?，F(xiàn)在全世界已有6個(gè)MW級(jí)的而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)，其中最大容量為6．5MW。日本于2000年采用50MW的大型陽(yáng)光發(fā)電設(shè)備。</p><p>　　為了加速太陽(yáng)能的開發(fā)、應(yīng)用，世界各國(guó)都制定了宏偉的發(fā)展計(jì)劃，有的已接近于完成。陽(yáng)光發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量方面，日本2000年為400MW，2010年為4600MW，到2030年將達(dá)

26、到40000MW，這相當(dāng)于日本總裝機(jī)容量的11％，超過了水力發(fā)電(水電占10％)。英國(guó)從1994年起實(shí)施一項(xiàng)計(jì)劃，2000年達(dá)到裝機(jī)1000MW。奧地利從1992年起以每年增加10MW的速度在發(fā)展。瑞士從1990年起計(jì)劃實(shí)現(xiàn)50MW／年的速度。德國(guó)1990年起實(shí)施1000座屋頂?shù)挠?jì)劃。荷蘭在2000年裝機(jī)達(dá)250MW。美國(guó)從1997年實(shí)施一項(xiàng)計(jì)劃，到2010年完成100萬座屋頂?shù)年?yáng)光發(fā)電設(shè)備[3]。</p><p&g

27、t;　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　市場(chǎng)上的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)主要關(guān)注的是系統(tǒng)效率和可靠性等問題。其中提高效率包括如下手段：①使太陽(yáng)能電池或方陣的輸出功率最大，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在小規(guī)模的系統(tǒng)中經(jīng)常使用最大功率點(diǎn)跟蹤的方法；②采用高效的蓄電池充電策略。</p><p>　　為了提供穩(wěn)定、高效的電光源，從而滿足道路交通照明的要求。本文研究太陽(yáng)能最大功率跟蹤MPPT原理，

28、其本質(zhì)上是一個(gè)作為功率調(diào)節(jié)的DC／DC變換器。它利用晶體開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，將太陽(yáng)能電池陣列的直流輸出信號(hào)變換成一個(gè)有可變占空比的方波信號(hào)來改變太陽(yáng)能電池的等效負(fù)載。DC／DC中的開關(guān)調(diào)節(jié)通常采用脈寬調(diào)制的方法，它與太陽(yáng)能電池板串聯(lián)，通過改變PWM波的占空比來控制充電電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。</p><p>　　論文主要包括以下幾個(gè)方面：首先，對(duì)太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的功能及其工作原理進(jìn)行研究與分析，對(duì)實(shí)現(xiàn)太

29、陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能的電路進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；采用功率比較法求取最大功率點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤和控制：從照明光源、控制電路、太陽(yáng)能電池組件和蓄電池容量確定、太陽(yáng)能電池最大功率的轉(zhuǎn)化等方面對(duì)太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　一般的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)如下圖1-1所示，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)小的獨(dú)立照明系統(tǒng)，主要由幾大部分組成，即太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器、LED光源[4]。</p>

30、;<p>　　圖1-1 太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第二章 太陽(yáng)能電池及蓄電池</p><p>　　2.1太陽(yáng)能電池的基本原理</p><p>　　太陽(yáng)能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。所謂光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)單地說，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。圖2-1為

31、太陽(yáng)能電池的單元模型和外觀。</p><p>　　圖2-l太陽(yáng)能電池的工作原理</p><p>　　可將半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的發(fā)電過程概述如下：①首先是收集太陽(yáng)光和其他光使之照射到太陽(yáng)能電池表面上。②太陽(yáng)能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子—電子空穴對(duì)。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會(huì)復(fù)合消失。③這些電性符號(hào)相反的光生載流子在太陽(yáng)能電池PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子

32、空穴對(duì)被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，即光生電壓。④在太陽(yáng)能電池PN結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽(yáng)能電池就把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成了電能[5]。</p><p>　　圖2-2光照時(shí)太陽(yáng)能電池的電路圖</p><p>　　圖2-3光照時(shí)太陽(yáng)能電池的等效電路圖</p>

33、<p>　　太陽(yáng)能電池的電路如圖2—2所示，等效電路圖如圖2-3所示，其中RL中為電池的外負(fù)載電阻。當(dāng)RL=0時(shí)，所測(cè)的電流為電池的短路電流Isc，就是將太陽(yáng)能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短路時(shí)，流過太陽(yáng)能電池兩端的電流。當(dāng)RL趨于無窮時(shí)，所測(cè)得的電壓為電池的開路電壓。</p><p>　　所謂開路電壓Uoc，就是將太陽(yáng)能電池置于100mW／cm2的光源照射下，在兩端開路時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出電壓值

34、ID(二極管電流)為通過PN結(jié)的總擴(kuò)散電流，其方向與Isc相反。Rs為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。</p><p>　　Rsh為旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，串聯(lián)電阻Rs很小，而并聯(lián)電阻Rsh很大。由于Rs和Rsh是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的，所以在進(jìn)行理想的電路設(shè)計(jì)時(shí),它們可以忽略不計(jì)。此時(shí)，流過負(fù)載的電流IL為

35、:</p><p>　　IL = ISC-ID （2-1）</p><p>　　理想的PN結(jié)特性曲線方程為： </p><p>　　IL = ISC-ID (equ/AKT -1) (2-2)</p><p>

36、　　式中ID—太陽(yáng)能電池在無光照時(shí)的飽和電流，A；</p><p><b>　　Q—電子電荷，C；</b></p><p><b>　　K—玻爾茲曼常數(shù)；</b></p><p>　　T—熱力學(xué)溫度，K；</p><p>　　A—常數(shù)因子(正偏電壓大時(shí)A值為1，正偏電壓小時(shí)A值為2)；</p&

37、gt;<p><b>　　e—自然對(duì)數(shù)的底。</b></p><p>　　當(dāng)IL=0時(shí)，電壓U即為UOC可用下式表示：</p><p>　　UOC = AKT /q ㏑（ISC/ ID +1） (4-3)</p><p>　　2.2太陽(yáng)能電池的特性</p><p>　　根據(jù)

38、(2-2)(2-3)兩式作圖，及坐標(biāo)變換可得到太陽(yáng)能電池的電流二電壓關(guān)系曲線，如圖2-4所示．這個(gè)曲線，可簡(jiǎn)稱為I—U曲線，或伏安特性曲線。</p><p>　　圖2-4太陽(yáng)能電池特性曲線</p><p>　　太陽(yáng)能電池的I—V特性曲線包含其絕大多數(shù)技術(shù)特性，是系統(tǒng)分析最重要的方面。太陽(yáng)能電池的I—V特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系[6]，如圖

39、2-4所示。</p><p>　　I—V特性曲線表明：太陽(yáng)能電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對(duì)恒定，最終在一個(gè)足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。曲線上的每一點(diǎn)都唯一對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)能電池在該一工作電壓下的輸出功率，Pm表示對(duì)應(yīng)于該日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的太陽(yáng)能電池所能輸出的最大功率，Um和Im則表示太陽(yáng)能電池輸出最大功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)電

40、壓和電流。</p><p>　　在一定的溫度和日照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽(yáng)能電池工作在該點(diǎn)時(shí)，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，太陽(yáng)能電池的輸出功率隨著工作點(diǎn)電壓的增加而增大：在最大功率點(diǎn)右側(cè)，太陽(yáng)能電池的輸出功率隨著工作點(diǎn)電壓的增加而減小[7][8]。</p><p>　　根據(jù)特性曲線可以定義出太陽(yáng)能電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：</p>

41、<p>　　(1)短路電流(Isc) 在給定溫度照度下所能輸出的最大電流。</p><p>　　(2)開路電壓(Voc) 在給定溫度照度下所能輸出的最大電壓。</p><p>　　(3)最大功率點(diǎn)電流(Im)在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流。</p><p>　　(4)最大功率點(diǎn)電壓(Vm)在給定溫度照度下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓。</p>

42、<p>　　(5)最大功率點(diǎn)功率(P)在給定溫度照度下所能輸出的最大功率，Pm=Im×Vm。</p><p>　　此外，P—V特性曲線可以更直觀的確定Pm、Um和Im，它是利用I—V特性曲線數(shù)據(jù)通過計(jì)算后作出的，如圖2-4虛線所示。</p><p>　　圖2-5和圖2-6分別為太陽(yáng)能電池在溫度變化和日照強(qiáng)度變化下的P—V特性曲線，從圖中可以看一出，太陽(yáng)能電池的輸出功

43、率受日照強(qiáng)度、電池結(jié)溫等因素的影響。</p><p>　　當(dāng)結(jié)溫增加時(shí)，太陽(yáng)能電池的開路電壓下降，短路電流略有增加，最大輸出功率減?。寒?dāng)日照強(qiáng)度增加時(shí)，太陽(yáng)能電池的開路電壓變化不大，短路電流增加明顯，最大輸出功率增加。</p><p>　　圖2-5溫度變化時(shí)太陽(yáng)能電池的P—V特性曲線</p><p>　　圖2-6日照強(qiáng)度變化時(shí)太陽(yáng)能電池的P—V特性曲線</p&

44、gt;<p>　　2.3閥控式鉛酸蓄電池基本工作原理</p><p>　　閥控式鉛酸蓄電池同普通鉛酸蓄電池化學(xué)原理上是一致的。蓄電池是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)起來，需要時(shí)又將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┙o用電設(shè)備的裝置。它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛（Pb），電解液是硫酸液（H2SO4）。其充電和放電過程是通過電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　鉛酸

45、蓄電池充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb+2）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb+2）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（Pb+4），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負(fù)極板上，在外界電流

46、的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb+2）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb+2）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（H+）和硫酸根離子（SO4-2），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO4-2），在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。</p><p>　　充電后期，在外電流的作用下，

47、溶液中還會(huì)發(fā)生水的電解反應(yīng)。</p><p><b>　　化學(xué)反應(yīng)式為：</b></p><p>　　正極：PbSO4+2H2O PbO2+H2SO4+2H++2e-</p><p>　　負(fù)極：PbSO4+2H+ Pb +H2SO4</p><p>　　副反應(yīng)：2H++2e-

48、 H2 </p><p>　　鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（Pb+2）與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板的鉛離子（Pb+4）得到來自負(fù)極的兩個(gè)電子（2e-）后，變成二價(jià)鉛離子（Pb+2），與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反

49、應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板水解出的氧離子（O-2）與電解液中的氫離子（H+）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí)H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。</p><p><b>　　化

50、學(xué)反應(yīng)式為：</b></p><p>　　正極：PbO2+H2SO4+2H++2e- PbSO4+2H2O</p><p>　　負(fù)極：Pb +H2SO4 PbSO4+2H+</p><p>　　副反應(yīng)：2H2O O2 +4H++4e-</p><p>　　2.4閥控式鉛酸蓄電池

51、特性</p><p>　　由于閥控鉛酸蓄電池對(duì)傳統(tǒng)的防酸隔爆鉛酸蓄電池作出了重要改進(jìn)，使其具有體積小、自放電小，維護(hù)工作量少，對(duì)環(huán)境無腐蝕、污染等優(yōu)良特性，因此它與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　免維護(hù)。變電站用GFM系列閥控鉛酸蓄電池帶荷電出廠，安裝后即可投入使用，無需配制灌注電解液和長(zhǎng)時(shí)間初充電。高效率的氣體內(nèi)部再化合，密封反應(yīng)效率可達(dá)90％以上，水損耗很少，在

52、整個(gè)使用壽命周期無需加入和調(diào)整電液密度。在正常使用條件下，不必?fù)?dān)心電解液缺少而影響蓄電池壽命。整流充電裝置按閥控鉛酸蓄電池出廠充電電壓設(shè)定后無需值班人員進(jìn)行操作，只需專業(yè)人員定期檢測(cè)電池端電壓和放電容量即可。</p><p>　　第三章 太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　3．1太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)主要由

53、以下部分組成，即太陽(yáng)能電池、控制器、蓄電池、DC／DC變換、驅(qū)動(dòng)電路、LED照明，如圖3—1所示。</p><p>　　圖3-1太陽(yáng)能LED照明優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)在白天通過太陽(yáng)能電池組件采集太陽(yáng)光的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來，在晚上點(diǎn)亮LED用于照明，是現(xiàn)代化綠色環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。具有智能控制系統(tǒng)，全天候供電無需管理人員。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮連雨天氣，把

54、平時(shí)多余的電能儲(chǔ)存到蓄電池內(nèi)，確保用于陰雨天有足夠的電能使用[9]。系統(tǒng)各個(gè)組成部分的主要功能如下：</p><p>　?。?）太陽(yáng)能電池陣列</p><p>　　由許多太陽(yáng)能電池組件串、并聯(lián)而成，其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦，也可達(dá)數(shù)個(gè)兆峰瓦甚至更大，組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其它類型的太陽(yáng)能電池組成。一般來說，光伏陣列由于多為半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其特性(伏安特性)具有強(qiáng)烈的非線性。&l

55、t;/p><p>　?。?）DC／DC變換</p><p>　　DC／DC環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。在該環(huán)節(jié)中，由于太陽(yáng)能電池陣列具有強(qiáng)烈的非線性特性，通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間(即PWM—脈沖寬度調(diào)制)，就可以控制輸出電壓。如果通過檢測(cè)輸出電壓來控制開、關(guān)的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。</p>&

56、lt;p><b>　　（3）驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生滿足功率器件正常工作要求的驅(qū)動(dòng)電壓。</p><p><b>　?。?）蓄電池組</b></p><p>　　蓄電池組一般是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成，其容量的選擇應(yīng)與太陽(yáng)能電池陣列的容量相匹配。該

57、部分的主要作用是儲(chǔ)存太陽(yáng)能陣列所產(chǎn)生的電能，以備不時(shí)之需。而且由于蓄電池對(duì)電壓的波動(dòng)具有“緩沖”作用，還可使得負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。蓄電池若使用不當(dāng)，很容易加速蓄電池的老化，具體表現(xiàn)為：電池的容量下降很快、壽命縮短，因此對(duì)蓄電池的充、放電保護(hù)是光伏充電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　（5）控制器</b></p><p>　　太陽(yáng)能控制器的基本

58、作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命：同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果用戶使用的是直流負(fù)載，通過太陽(yáng)能控制器可以為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電。</p><p>　　為保證太陽(yáng)能電池陣列在任何日照和環(huán)境溫度下始終以相應(yīng)的最大功率輸出，引入了太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT控制策略。在芯片內(nèi)部寫上由程序所構(gòu)成的控制軟件，配

59、合外圍的相關(guān)電路完成主要控制功能。</p><p><b>　　（6）LED照明</b></p><p>　　為保證亮度高，亮度輻射范圍大且均勻，所使用的超高亮LED數(shù)量少。在太陽(yáng)能照明燈具中，發(fā)光體所使用的LED數(shù)量從一個(gè)到上千個(gè)不等，一定數(shù)量的LED組合成一個(gè)發(fā)光體時(shí)，其排列和組合是一個(gè)非常重要的問題。即不同的排列和組合對(duì)整體的亮度都有影響。</p>

60、<p>　　3．2控制器的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　在太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)中，太陽(yáng)能充放電控制器是整個(gè)照明系統(tǒng)中的核心部件，它的性能在一定程度上決定了整個(gè)照明系統(tǒng)的性能好壞。目前，市場(chǎng)上有各種各樣的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)，典型的太陽(yáng)能充放電控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3—2所示：</p><p>　　圖3-2控制器的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　該控制器為脈寬調(diào)

61、制型控制器，即太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電采用脈寬調(diào)制方式，具有如下功能[10][11]：</p><p>　　采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防止蓄電池的過放電。</p><p>　　該控制器具備蓄電池充滿點(diǎn)溫度補(bǔ)償功能：以25℃為基準(zhǔn)，每2V蓄電池，溫度補(bǔ)償為一0.3mV／℃。</p><p>　　防止任何負(fù)載短路的電路保護(hù)。</p><p>　　防止夜間蓄電池向

62、太陽(yáng)能電池組件反向放電的保護(hù)。</p><p>　　防止蓄電池極性反接的電路保護(hù)。</p><p>　　該控制器最大自身耗電電流不得超過50mA。</p><p>　　該控制器充、放電回路的壓降不得超過系統(tǒng)額定電壓的5％。</p><p>　　該控制器的耐沖擊電壓為：在一小時(shí)內(nèi)可承受高于太陽(yáng)能電池組件開路電壓的1．25倍的電壓，而自身不損壞。

63、</p><p>　　該控制器的耐沖擊電流為：在一小時(shí)內(nèi)可承受太陽(yáng)能電池組件短路電流1．25倍的電流的沖擊，而自身不損壞。</p><p>　　該控制器具有較高的價(jià)格性能比，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，且工作穩(wěn)定可靠。此控制器的電路特點(diǎn)是：</p><p>　?。?）由于系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高，該控制器電路采用價(jià)格便宜的LM331構(gòu)成A／D轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)參數(shù)，可使LM33l的轉(zhuǎn)換精

64、度達(dá)到4mv，如果采用12位的A／D轉(zhuǎn)換器，其精度為10mv，而高精度的A／D轉(zhuǎn)換器價(jià)格較貴。如果采用內(nèi)部集成有A／D轉(zhuǎn)換模塊的PIC單片機(jī)，其A／D轉(zhuǎn)換模塊為10位，精度只能達(dá)到40mV，不能滿足系統(tǒng)的精度要求。</p><p>　?。?）充放電開關(guān)管采用功率MOSFET，只要保證開關(guān)的柵源電壓，具有好的開關(guān)特性，而且采用繼電器作為比較開關(guān)，耗能小。</p><p>　?。?）單片機(jī)與開

65、關(guān)管之間采用光電耦合器作為驅(qū)動(dòng)和隔離元件，這樣可以避免輸出部分電源變化對(duì)單片機(jī)的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。在獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，為了降低成本、提高效率和可靠性，既保證太陽(yáng)能電池陣列處于最佳工作狀態(tài)，又要使蓄電池正確充放電，同時(shí)還要最大限度地利用所發(fā)電能[12]。在目前的光伏系統(tǒng)中，這三者的實(shí)現(xiàn)存在矛盾，在設(shè)計(jì)充電控制通常只顧及到一個(gè)方面，如何兼顧三者的關(guān)系，尋求最優(yōu)充電控制策略，這也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。</p>

66、;<p>　　3．3太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　太陽(yáng)能電池發(fā)電的全部能量來自于太陽(yáng)，也就是說，太陽(yáng)能電池方陣面上所獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。因此我們?nèi)绻胍@得太陽(yáng)能電池方陣面上的最大輻射量，首先應(yīng)確定太陽(yáng)能電池板的最佳傾斜角度。本文以太陽(yáng)能照明系統(tǒng)為例，給出具體的太陽(yáng)能LED照明優(yōu)化系統(tǒng)總體實(shí)施方案。</p><p>　　太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的設(shè)：負(fù)載

67、用電量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池方陣面輻射量的計(jì)算，太陽(yáng)能電池、蓄電池用量的計(jì)算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能電池方陣安裝傾角的計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析等。一般是由計(jì)算機(jī)來完成；在要求不太嚴(yán)格的情況下，也可以采取估算的辦法。</p><p>　　（1）計(jì)算負(fù)載日功耗QL</p><p>　　計(jì)算出所有負(fù)載耗電功率與每天的平均工作時(shí)間總和，即</p><

68、p>　　QL = ΣPi × hi (3-1)</p><p>　　式中，Pi為各負(fù)載的額定功率(W)，hi為相應(yīng)負(fù)載每天平均工作的小時(shí)數(shù)。</p><p>　?。?）選擇方陣傾斜角</p><p>　　傾斜角是太陽(yáng)能電池或方陣平面與水平面的夾角。并希望此夾角是一年中發(fā)電量為最大時(shí)候的最佳傾斜角度。

69、一年中的最佳傾斜角與當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥扔嘘P(guān)，當(dāng)緯度較高時(shí)，相應(yīng)的傾斜角也大。</p><p>　?。?）太陽(yáng)能電池組件總用量的計(jì)算</p><p>　　太陽(yáng)能照明系統(tǒng)充放電效率取0.75，太陽(yáng)能電池組件組合損失修正系數(shù)取0.95，灰塵遮擋及其它損失修正系數(shù)取0.90。經(jīng)過單位換算及簡(jiǎn)化處理后，可得到太陽(yáng)能電池總用量P(Wp)的計(jì)算公式：</p><p>　　P = 56

70、18 × A × QL／(Kop×HL) (3-2)</p><p>　　式中，QL為負(fù)載日功耗(Wh)，HL為水平面年平均日輻射量(KJ／m2·d)。A為安全系數(shù)，由年輻射量與多年平均值的偏差、用電等級(jí)、環(huán)境是否惡劣、有無備用電源、是否有人值守等來確定。一般取A=1.1～1.3。</p><p>　?。?）串聯(lián)組件數(shù)

71、和并聯(lián)組件數(shù)的確定</p><p>　　太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)的基本思想就是滿足年平均日負(fù)荷的用電需求，其串并聯(lián)設(shè)計(jì)基本公式如下。</p><p>　　并聯(lián)組件數(shù)量=日平均負(fù)載(Ah)/組件日輸出</p><p>　　串聯(lián)組件數(shù)量=系統(tǒng)電壓(V)/組件電壓(V)</p><p>　?。?）蓄電池容量的計(jì)算</p><p>　

72、　蓄電池容量的選擇一般遵循以下原則：在能夠滿足夜晚照明的前提下，能夠把白天太陽(yáng)能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來，還要滿足連續(xù)多個(gè)陰雨天夜晚照明的需要的電能。若蓄電池容量過小，則不能滿足夜晚照明的需要，若蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。由負(fù)載的大小，蓄電池的安時(shí)容量，最大允許的放電深度，預(yù)定的連續(xù)無日照時(shí)間等因素共同來決定蓄電池的總?cè)萘俊?lt;/p><p>　　蓄電池容量(Ah

73、)=負(fù)載日耗電(Wh)×自給天數(shù)/最大放電深度令系/統(tǒng)直流電壓</p><p>　　本文以10W家用照明系統(tǒng)為例進(jìn)行說明</p><p>　　（1）確定當(dāng)?shù)貧庀蟮乩項(xiàng)l件</p><p>　　嘉興：北緯 30°15′-31°02′</p><p>　　東經(jīng)120°20′-121°31′</

74、p><p><b>　　最長(zhǎng)陰雨天：3天</b></p><p>　?。?）負(fù)載日耗量的確定</p><p>　　家用LED燈的功率為10W，平均家里常開的燈為5盞，平均每天6:00—11:00打開，照明時(shí)間為5小時(shí)，因此，每日耗電量為：</p><p>　　QL=10W×5×5h=250 Wh</

75、p><p>　?。?）太陽(yáng)能電池總能量的計(jì)算</p><p>　　嘉興地區(qū)的斜面輻射最佳輻射系數(shù)Kop大約為0.95，從嘉興的緯度、經(jīng)度估算出嘉興地區(qū)日平均太陽(yáng)輻射量為20MJ／m2d，因此，水平面年平均日輻射量：</p><p>　　P=5618×A×QL／(Kop×HL)=5618×1.1×250／(0.95

76、5;20000)=81Wp</p><p>　　太陽(yáng)能電池選用組件：</p><p>　　開路電壓：21.0V，</p><p>　　短路電流：3.0A，</p><p>　　峰值電壓：17.5V，</p><p>　　峰值電流：2.6A，</p><p>　　峰值功率：45Wp，</p&

77、gt;<p>　　所用太陽(yáng)能電池組件共計(jì)為2塊，太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)為12V蓄電池充電，串聯(lián)組件數(shù)為2，并聯(lián)組件數(shù)為1。</p><p>　?。?）蓄電池容量需求的計(jì)算</p><p>　　按負(fù)載5×10W=50W，每天平均工作5小時(shí)；每天負(fù)載消耗用電量250Wh，本系統(tǒng)為12V系統(tǒng)，因此每日負(fù)荷消耗用電量為：</p><p>　　250Wh/12

78、v/0.88=23.6Ah</p><p>　　當(dāng)蓄電池的放電深度為0.5時(shí)，蓄電池的容量需求為：</p><p>　　23.6Ah／天×3天／0.5=141.6Ah</p><p>　　因此選用兩組12V／72Ah的鉛酸蓄電池即可。</p><p>　　第四章 太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤電路設(shè)計(jì)</p><p&g

79、t;　　常規(guī)恒壓供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性可以用比較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)來描述。由于陽(yáng)光強(qiáng)度是自然環(huán)境的函數(shù)，受天氣的影響，因此太陽(yáng)能電池系統(tǒng)是一隨機(jī)的、不穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的控制要比常規(guī)電網(wǎng)供電系統(tǒng)復(fù)雜得多。</p><p>　　在常規(guī)的電氣設(shè)備中，為使負(fù)載獲得最大功率，通常要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配，使負(fù)載電阻等于供電系統(tǒng)(或電氣設(shè)備)的內(nèi)阻，此時(shí)負(fù)載上就可以獲取最大功率。對(duì)于一些內(nèi)阻不變的供電系統(tǒng)，可以用外阻等于內(nèi)阻的簡(jiǎn)單方法

80、就可以得到最大功率。</p><p>　　太陽(yáng)電池板所發(fā)出的電能為隨天氣、環(huán)境、負(fù)荷等變化而不斷變化的直流電能，其所發(fā)出電能的質(zhì)量和性能很差，很難直接供給負(fù)載LED使用。在充放電控制器中需要使用由電力電子器件構(gòu)成的DC/DC變換器將該電能進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪妥儞Q，變成適合負(fù)載LED使用的電能。光伏照明系統(tǒng)中充放電控制器的DC/DC變換技術(shù)、基本原理及其主要類型將是本章重點(diǎn)闡述的內(nèi)容。要想在光伏系統(tǒng)中高效利用太陽(yáng)能，獲

81、取最大功率輸出，就必須引入最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略[13][14]。</p><p>　　對(duì)最大功率控制系統(tǒng)在性能方面提出如下要求：</p><p>　?。?）一般不采用復(fù)雜的硬件，要求建立一個(gè)簡(jiǎn)單(低價(jià))的系統(tǒng)。</p><p>　?。?）能隨環(huán)境的變化，高速地取得正確的最佳工作點(diǎn)。</p><p>　?。?）工作點(diǎn)跟蹤蹤過程中，發(fā)電功率的震

82、蕩小。</p><p>　　為滿足上述要求，本系統(tǒng)在太陽(yáng)能電池板陣列接入一個(gè)DC／DC變換器環(huán)節(jié)，采用DC／DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。這一跟蹤控制是通過控制DC／DC變換器通斷率Q的變化等值地改變其負(fù)載大小，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。</p><p>　　DC／DC變換器有四種基本類型：Buck變換器，Boost變換器，Buck—Boost，Cuk變換器。由于Cuk變換器可

83、使輸入電流和輸出電流連續(xù)，而且通過將輸入／輸出電感偶合，可以達(dá)到“零紋波"，使體積小型化。因此，本文的DC／DC電路單元采用Cuk變換器。</p><p>　　4．1 Cuk變換器工作原理</p><p>　　Cuk變換器輸出電壓可高于或低于輸入電壓，提供一個(gè)反極性不隔離的輸出電壓，其輸入和輸出電流都是連續(xù)的，具有較小的紋波分量?？蓱?yīng)用于對(duì)蓄電池的充電控制，也可應(yīng)用于對(duì)負(fù)載LED

84、的升降壓控制。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖4-l cuk變換器及其輸入輸出電流波形</p><p>　　由晶體管、二極管構(gòu)成的Cuk線路如4-1(a)所示4-1(b)為流經(jīng)二個(gè)電感的電流波形。</p>

85、<p>　　開關(guān)管Tr導(dǎo)通期間，即Ton=D1 Ts</p><p>　　(b)開關(guān)管Tr截止期間，即Toff =(1-D1)Ts</p><p>　　圖4-2 Cuk變換器中電流和電壓的分配</p><p>　　能量的儲(chǔ)存和傳遞是同時(shí)在兩個(gè)開關(guān)期間(即Ton和Toff)和兩個(gè)環(huán)路中進(jìn)行的，如圖4-2所示。設(shè)晶體管開關(guān)周期為Ts，導(dǎo)通期為Ton=D1Ts，

86、截止期為Toff=(1- D1) Ts，D1=Ton／Toff為導(dǎo)通占空比。當(dāng)經(jīng)過若干周期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后：</p><p>　?。?）在Ton期間，如圖4-2(a)所示。此時(shí)Tr導(dǎo)通，把輸入輸出環(huán)路閉合。D反偏而截止，這時(shí)輸入電流i1使L1儲(chǔ)能：C的放電電流i2使L2儲(chǔ)能，并供電給負(fù)載。Tr中流過輸入、輸出電流之和。</p><p>　?。?）在Toff期間，如圖4-2(b)所示。Tr截止，D

87、正偏而導(dǎo)通，將輸入輸出環(huán)路閉合。這時(shí)電源輸入和L1的釋能電流i1向C充電，同時(shí)L2的釋能電流i2以維持負(fù)載。流過D的電流亦為輸入、輸出電流之和[15]。</p><p>　　由此可見，這個(gè)電路無論在Ton及Toff期間，都從輸入向輸出傳遞功率。只需輸入輸出電感L1、L2及耦合電容C足夠大，則L1及L2玩中的電流基本上是恒定的。在Toff期間，輸入電流i1使C充電儲(chǔ)能；在Ton期間，C向負(fù)載放電釋能。因此，C是個(gè)儲(chǔ)

88、能的傳遞元件。</p><p>　　圖4-2進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，工作波形如圖4-3(a)(b)所示。(a)為連續(xù)工作模式(b)為不連續(xù)工作模式。分析時(shí)，設(shè)電容C上的電壓V。的紋波與其平均值之比值是很小的。這樣VC可認(rèn)為是恒定電壓。又由于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感L1和電感L2電壓VL1。和VL2的平均值為零，所以在VS、L1、C、L2、V0回路中有：</p><p>　　Vc = Vs + V0

89、 （4-1）</p><p>　　當(dāng)晶體管Tr的be端加正脈沖時(shí)，VTr電壓為0，在Vs作用下iL1線性上升，L1兩端電壓為Vs。另外電容C通過Tr放電。電流i L2也線性上升，這時(shí)L2上的電壓V L2是電容C電壓與V0的差值，考慮到式Vc=Vs+V0，其差值為Vs+V0-V0=Vs上述二個(gè)電流之和i L1+ i L2流過晶體管的集電極。上面所

90、述作用過程示于圖4-3(a)的D1Ts區(qū)間。當(dāng)VBE脈沖消失時(shí)，晶體管電壓VTr上升，由于二極管導(dǎo)通Vd=0，并使VTr端壓等于Vc：流經(jīng)L1的電流iL1線性下降，V L1反向。其值大小，同樣考慮Vc=Vs+V0。觀察Vs、L1、C、D回路，V L1是Vc與Vs差值決定的。晶體管截止，二極管D導(dǎo)通流過i L1+ i L2電流。上述的作用過程示于圖4-3(a)的D2Ts區(qū)間。</p><p>　　(a)電感電流連續(xù)

91、 (b)電感電流不連續(xù)</p><p>　　圖4-3 Cuk變換器穩(wěn)態(tài)波形圖</p><p>　　根據(jù)上述原理，不難理解不連續(xù)工作模式時(shí)的波形圖4-3(b)，它們差別只在于二極管、晶體管在電流不連續(xù)時(shí)出現(xiàn)了電壓為V0值的一個(gè)階段。</p><p>　　4.2 DC／DC變換器主回路的線路結(jié)構(gòu)</p><p&g

92、t;　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的DC／DC變換器(最大功率控制)的線路結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4DC／DC變換器線路結(jié)構(gòu)圖[16]</p><p>　　變換器的開關(guān)器件選用MOSFET(2SKl794，最大定額VDS=1500V，VCS=士20V，ID=士15A)斬波頻率設(shè)定為200KHz。從圖4-4的太陽(yáng)能電池測(cè)來看負(fù)荷電路，DC／DC變換器的電抗L十分大，且二極管和MOS

93、FET的正向電壓降很小。</p><p>　　圖4-5單片機(jī)8089的引腳圖</p><p>　　8089的引腳功能如下：</p><p>　　Vcc—主電源（+5V）。</p><p>　　Vss—數(shù)字地（0V），有兩個(gè)Vss，須同時(shí)接地。</p><p>　　Vpd—RAM備用電源（+5V）。正常操作期間，此電源必

94、須接通。在掉電情況下，當(dāng)Vcc尚未降至RAM所需規(guī)范電壓值以下時(shí)（Vpd正常供電），RESET信號(hào)有效，則片內(nèi)寄存器頂部的16個(gè)字節(jié)內(nèi)容得以維持不變，在掉電期間RESET必須保持低電平，直至Vcc恢復(fù)正常且振蕩器達(dá)到穩(wěn)定時(shí)為止。</p><p>　　Vref—片內(nèi)A/D的參考電壓（+5V），同時(shí)也是A/D模擬部分的電源電壓及讀P0所用邏輯電路的供電電壓。</p><p>　　ANGND—A

95、/D的模擬地，通常應(yīng)與Ass保持同電位。</p><p>　　Vpp—片內(nèi)EPROM的編程電壓針對(duì)8795BH而言。</p><p>　　STALL—片內(nèi)反相振蕩器的輸出，也是片內(nèi)時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，通常接外部晶體。</p><p>　　STAL2—片內(nèi)反相振蕩器的輸出，通常接外部晶體。</p><p>　　RESET—復(fù)位信號(hào)輸入，低電平有效

96、，兩個(gè)狀態(tài)周期以上的低電平輸入，可使芯片復(fù)位。RESET再變?yōu)楦唠娖綍r(shí)（高電平持續(xù)時(shí)間大于10個(gè)狀態(tài)周期）可產(chǎn)生10個(gè)周期的內(nèi)部復(fù)位序列 。</p><p>　　表4-18098復(fù)位寄存器的狀態(tài)表</p><p>　　EA—存儲(chǔ)器選擇輸入端。當(dāng)EA=0時(shí)，CPU對(duì)外部存儲(chǔ)器操作，當(dāng)EA=1時(shí)，CPU對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器（EPROM/ROM）的2000H—3FFFH單元操作，地址在4000H以后，訪

97、問外部存儲(chǔ)器，在引腳內(nèi)部有下拉作用，若引腳無驅(qū)動(dòng)，它總保持低電平。</p><p>　　ALE ADV—地址鎖存允許或地址輸出有效（由芯片控制器CCR選擇）。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，表示地址/數(shù)據(jù)總線上傳送的是存儲(chǔ)器地址，ALE下降沿將地址鎖存到地址鎖存到地址鎖存器中[17]。</p><p>　　RD—外部存儲(chǔ)器讀信號(hào)，輸出低電平有效。</p><p>　　WR—外部

98、存儲(chǔ)器讀信號(hào)，輸出低電平有效。</p><p>　　READY—準(zhǔn)備就緒信號(hào)（輸入）。它用來延長(zhǎng)對(duì)外部存儲(chǔ)的訪問周期，以便與慢速存儲(chǔ)器或動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器接口。它也可用于 總線共享，通過CCR寄存器可控制插入總線周期中的狀態(tài)數(shù)。該引腳內(nèi)部有微弱的上位作用，在無外部驅(qū)動(dòng)時(shí)，為高電平。</p><p>　　HIS—高速輸入（HIS.0~HIS.3）引腳，其中HIS.2和HIS.3與兩個(gè)高速輸出引腳公用

99、。</p><p>　　HS0—高速輸出（HS0.4HS0.5）引腳，其中HS0.4個(gè)HS0.5與兩個(gè)HIS引腳公用。</p><p>　　P0口—4路高阻輸入口，既可作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入（ACH4~ACH7），又可作為數(shù)字量輸入（P0.4~寬0.7），也可同步輸入模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　P2口—4位多功能口。它們除用作標(biāo)準(zhǔn)的I/O口之外，

100、還具有復(fù)用功能，下表給出P2口各引腳的基本功能和復(fù)用功能。</p><p>　　P3/P4口—均為8位雙向I/O口，具有兩種功能，既可用作具有漏極開路輸出的雙向口，也可作為系統(tǒng)總線。用作系統(tǒng)總線時(shí)，P3口傳送低8位地址及8位數(shù)據(jù)，P4口傳送高8位地址，此時(shí)，引腳內(nèi)部有上拉作用。</p><p>　　4.3 DC／DC變換器的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　隨著MOS功

101、率器件的發(fā)展，開關(guān)電源的工作頻率從20KHz提高到200KHz以上，隨之PWM集成電路也有很大的發(fā)展。單片機(jī)8098雖然自帶PWM輸出端，但其頻率較低(系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，PWM波輸出頻率f0=15.6KHz)。從圖4-4可知，太陽(yáng)能電池最大功率控制采用DC／DC變換器，它是由控制器輸出控制電壓從而控制專用PWM控制器驅(qū)動(dòng)芯片SG3525A來實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　SG3525A是用于驅(qū)動(dòng)N溝道MOS

102、管的第二代脈沖寬度控制器，它的功能方框圖見圖4-6</p><p>　　圖4-6 SG3525A方框原理圖</p><p>　　SG3525A主要工作情況如下：</p><p>　　15腳：電源電壓正端，電壓范圍8～40V。</p><p>　　12腳：公共端，接電源負(fù)端。</p><p>　　16腳：輸出5V基準(zhǔn)電壓

103、。</p><p>　　6腳：外接定時(shí)電阻，R，=2～150KQ。</p><p>　　5腳：外接定時(shí)電容。Ct=1000PF～0.1uF，振蕩頻率范圍100Hz至400kHz</p><p><b>　　4腳：振蕩器輸出。</b></p><p>　　3腳：振蕩器外同步。</p><p><

104、;b>　　11腳：輸出A。</b></p><p>　　14腳：輸出B，輸出端為圖騰柱式，屬低阻抗輸出，適合用于驅(qū)動(dòng)MOS功率管。集電極13腳開路，可用于外接單獨(dú)的電源，使3525A的輸出驅(qū)動(dòng)脈沖幅度符合開關(guān)管的要求。+</p><p>　　1腳：誤差放大器反相輸入端。</p><p>　　2腳：誤差放大器同相輸入端。</p><

105、;p>　　9腳：外接誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　誤差放大器用于外接反饋電壓，并與外接基準(zhǔn)電壓相比較，實(shí)現(xiàn)調(diào)寬穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　8腳：軟啟動(dòng)端，可外接一只電容。該電容由內(nèi)部VREF的50uA的恒流源充電。達(dá)到2.5V所經(jīng)的時(shí)間為t=(2.5／50) ×105 ×C8，占空比由小到大(0～約50％)變化。</p><

106、p>　　10腳：關(guān)斷端，用于電源保護(hù)。</p><p>　　7腳：與5腳外接電阻用于控制死區(qū)電壓[18]。</p><p>　　由圖4-4的電路。SG3525A的輸出頻率約為200Hz。直接單端驅(qū)動(dòng)MOS功率管。MOS管的閾值電壓約為3V左右，低于該值時(shí)MOS管不能導(dǎo)通。但通常要求驅(qū)動(dòng)電壓峰值為10～15V，保證開關(guān)管飽和。驅(qū)動(dòng)電壓不得超過20V，以免G、S極間擊穿。</p&g

107、t;<p>　　在此應(yīng)用中，將IC的8腳的軟啟動(dòng)端接一個(gè)三極管，控制三極管的導(dǎo)通，就可控制8腳的電壓，即就可直接控制SG3525A輸出的PWM波的占空比(0～約50％)。</p><p>　　4.4最大功率點(diǎn)跟蹤原理</p><p>　　太陽(yáng)能電池的輸出呈非線性，隨著光照強(qiáng)度和電池表面溫度的改變，它的輸出也發(fā)生改變。為了避免能量的損失，國(guó)內(nèi)外提出了多種實(shí)現(xiàn)辦法。本文采用功率比

108、較法以此來提高系統(tǒng)的跟蹤效率。</p><p>　　圖4-7對(duì)應(yīng)于不同通流率α的輸出功率P</p><p>　　由于用變換器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)其輸出特性具有上述特征，故可取實(shí)時(shí)的發(fā)電功率，把α作定量(△α)增減，以決定最大功率。這是一種最簡(jiǎn)單的求取最佳工作點(diǎn)方法，稱為功率比較法。</p><p>　　當(dāng)變換器通流率的變化量△α值恒定時(shí)，功率比較法的核心是用前后功率大小

109、的比較來確定最佳工作點(diǎn)。</p><p><b>　　該方法的特點(diǎn)是：</b></p><p>　?。?）當(dāng)α增加△α?xí)r，P單調(diào)增加，則應(yīng)當(dāng)讓?duì)吝M(jìn)一步增加△α(圖4-8中的</p><p><b>　　A區(qū))；</b></p><p>　?。?）當(dāng)α加△α?xí)r，P單調(diào)減少，則應(yīng)當(dāng)讓?duì)翜p少△α(圖4-8

110、中的B區(qū))；</p><p>　?。?）當(dāng)α減少△α?xí)r，P單調(diào)增加，則應(yīng)當(dāng)讓?duì)吝M(jìn)一步減少△α(圖4-8中的C區(qū))；</p><p>　?。?）當(dāng)α減少△α?xí)r，P單調(diào)減少，則應(yīng)當(dāng)讓?duì)猎黾印鳓?圖4-8中的D區(qū))；</p><p>　　如圖4-8所示的P-α特性曲線是一條凸形的非線性曲線，只要選定初始值。和適當(dāng)?shù)摹鳓?，可以逐步逼近到Pmax值。當(dāng)△α固定時(shí)，該值的大小將