畢業(yè)設計---太陽能電池控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、<p><b>　　第一章</b></p><p><b>　　1.1 簡介</b></p><p>　　傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時全球還有20億人得不到正常的能源供應。這個時候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y構，維持長遠的可持續(xù)發(fā)展。這之中太陽能以其獨有的優(yōu)勢而成為

2、人們重視的焦點。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發(fā)電量可達5.6×1012千瓦小時，相當于世界上能耗的40倍。</p><p><b>　　發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　近幾年國際上光伏發(fā)電快速

3、發(fā)展，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，

4、并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程。在我國 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。 　　到2007年年底，全國光伏系統(tǒng)的累計裝機容量達到10萬千瓦（100MW），從事太陽能電池生產(chǎn)的企業(yè)達到50余家，太陽能電池生產(chǎn)能力達到290

5、萬千瓦（2900MW），太陽能電池年產(chǎn)量達到1188MW，超過日本和歐洲，并已初步建立起從原材料</p><p>　　根據(jù)《工業(yè)轉型升級規(guī)劃(2011-2015年）》、《信息產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以及《電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的要求，在全面調(diào)研、深入研究、廣泛座談的基礎上，編制太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，作為我國“十二五”光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導性文件。世界常規(guī)能源供應短缺危機日益嚴重，化石能源的大量

6、開發(fā)利用已成為造成自然環(huán)境污染和人類生存環(huán)境惡化的主要原因之一，尋找新興能源已成為世界熱點問題。在各種新能源中，太陽能光伏發(fā)電具有無污染、可持續(xù)、總量大、分布廣、應用形式多樣等優(yōu)點，受到世界各國的高度重視。我國光伏產(chǎn)業(yè)在制造水平、產(chǎn)業(yè)體系、技術研發(fā)等方面具有良好的發(fā)展基礎，國內(nèi)外市場前景總體看好，只要抓住發(fā)展機遇，加快轉型升級，后期必將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。從全球來看，光伏發(fā)電在價格上具備市場競爭力尚需一段時間，太陽能電池需求的近期成

7、長動力主要來自于各國政府對光伏產(chǎn)業(yè)的政策扶持和價格補貼；市場的持續(xù)增長也將推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大和產(chǎn)品成本下降，進而促進光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前國內(nèi)支持光伏應用的政策體系和促進光伏發(fā)電持續(xù)發(fā)展的長效互動機制正在建立過程中，太陽能電池產(chǎn)品多數(shù)出口海外市場，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受金融</p><p><b>　　1.2實驗的意義</b></p><p>　　等等這些數(shù)據(jù)給我們的啟示是，在現(xiàn)

8、有化石燃料正逐漸減少并且污染在不斷增加的大環(huán)境下，更好的利用太陽能資源是最好的辦法，在剛剛發(fā)表的國民經(jīng)濟第十二個五年規(guī)劃中也重點涉及到太陽能方向，由此可見利用好太陽能源技術對國家未來的基礎設施建設有著重要的意義，但光電轉換率低，所以要想更好的利用太陽能這一技術，就必須在控制電路上下功夫，如何讓控制電路消耗功率最少把更多的能量留給負載是關鍵，這也是本實驗的意義之所在！ 本實驗是利用三極管的工作原理來控制系統(tǒng)的充放電，利用三極管一個主要原因

9、是可以盡可能低的降低控制電路消耗的功率。 </p><p>　　實驗的大致思想可以歸納為以上框圖所示，白天陽光充足時，太陽能電池接受太陽光從而發(fā)電，并給充電電池充電，到晚上或陽光不充足的時候，充電電池開始通過控制系統(tǒng)給負載放電，當?shù)诙煸缟匣蜿柟庠俅纬渥愕臅r候，開陽能電池開始再次發(fā)電并給充電電池充電，依次循環(huán)。</p><p><b>　　第二章</b></p&

10、gt;<p>　　2.1三極管特性介紹</p><p>　　半導體三極管又稱晶體管，雙極性三極管，它們是組成各種電子電路的核心器件。三極管有3個電極，基機，集電極，發(fā)射極。若將兩個PN結“背靠背”地（同極區(qū)相對）連接起來（用工藝的辦法制成），則組成三極管。按PN結的組合方式，三極管有PNP和NPN兩種類型，其結構示意圖如下</p><p>　　圖1（2.1）PNP三極管<

11、;/p><p>　　圖2（2.1）NPN三極管</p><p>　　無論是NPN型或是PNP型三極管，它們均含有3個區(qū)：發(fā)射區(qū)，基區(qū)，集電區(qū)，并相應的引出三個電極：基機（b)，集電極(c)，發(fā)射極(e)。同時，在3個區(qū)的兩兩交界處，形成兩個PN結，分別稱為發(fā)射結和集電結。常用的半導體材料有硅和鍺。三極管從盡管從結構上看，相當于兩個二極管背靠背地串聯(lián)在一起，但是，當我們用單獨的兩個二極管按上述關

12、系串聯(lián)起來時將會發(fā)現(xiàn)，他們并不具有放大作用。其原因是，為了使三極管實現(xiàn)放大，必須由三極管的內(nèi)部結構和外部條件來保證。</p><p>　　從三極管的內(nèi)部結構來看，應具備以下3點：</p><p>　　第一，發(fā)射區(qū)進行重參雜，因而多數(shù)載流子電子濃度遠大于基區(qū)多數(shù)載流子空穴濃度。</p><p>　　第二，基區(qū)做的很薄，通常只有幾微米到幾十微米，而且是低參雜。</

13、p><p>　　第三，集電極面積大，以保證盡可能收集到發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子。</p><p>　　從外部條件來看，外加電源的極性應保證發(fā)射結處于正向偏置狀態(tài)，集電極應處于反向偏執(zhí)狀態(tài)。在滿足上述條件下，我們可以來做放大分析。</p><p><b>　　2.2二極管</b></p><p>　　半導體二極管是由PN結加上引線和管

14、殼構成的，二極管的類型很多，按知道二極管的材料來分，（1）點觸型二極管，它的特點是結的面積小，因而結電容小，適用于高頻工作下，最高工作頻率可達幾百兆赫，但不能通過很大的電流，主要應用于小電流的整流和檢波，混頻等。（2）它的特點是結的面積大，因而能通過較大的電流，但其結電容也大，只能工作在較低的頻率下，可用于整流電路，（3）硅平面型二極管，它的特點是結面積大，可通過較大的電流，適用于大功率整流，結面積小，結電容小，適用于脈沖數(shù)字電路中作開

15、關管。</p><p>　　發(fā)光二極管（LED)簡介：它是一種將電能轉換為光能的半導體器件，主要有三五族化合物半導體如砷化鎵(GaAs)，磷化鎵(Gap)制成，它由一個PN結組成，當加正向電壓時，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子擴散至對方與少數(shù)載流子復合，復合過程中，有一部分以光子的形式放出，使二極管發(fā)光，發(fā)出的光波可以是紅外光或可見光，砷化鎵是發(fā)射紅外光，如果在砷化鎵中慘入一些磷即可紅色可見光，而磷化鎵可發(fā)出綠光。<

16、;/p><p>　　發(fā)光二極管常用作顯示器件，如指示燈，七段數(shù)碼管，矩陣顯示器等，工作時加正向電壓，并接入限流電阻，工作電流一般為幾至幾十毫安。電流越大，發(fā)出的光越強，但是會出現(xiàn)亮度衰退的老化現(xiàn)象，使用壽命將縮短。發(fā)光二極管導通時的管壓降為1.8至2.2V?！?】</p><p><b>　　2.3鎳氫電池</b></p><p>　　鎳氫電池是有

17、氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。鎳氫電池中的“金屬”部分實際上是金屬氫化物，</p><p>　　圖1（2.3）鎳氫電池</p><p>　　當快速充電時，可以透過充電器內(nèi)的微電腦去避免電池過充的情況產(chǎn)生?，F(xiàn)今的鎳氫 </p><p><

18、b>　　圖2（2.3）</b></p><p>　　電池含有一種催化劑，可以及時的解除因為過充所造成的危險。2H2 + O2 --催化劑--> 2H2O 　但是這個反應只有從過充開始的時間算起的 C ÷ 10 小時內(nèi)有效（C = 電池標示的容量）。當充電程序開始后，電池的溫度會上升的很明顯，有些急速充電器（低于1小時）內(nèi)含風扇來避免電池過熱。 有的廠商認為：使用一些簡單的恒流（且

19、電流要?。┏潆娖?，不管有沒有計時器，都可以安全地為鎳氫電池充電，允許的長時間充電電流為 C/10h （電池的標稱電量除以10小時）。實際上，一些造價低廉的無線電話基地臺和最便宜的電池充電器正是這樣工作的。盡管這可能是安全的，但對電池的壽命可能會有不良影響。根據(jù)松下公司（Panasonic）的《鎳氫電池充電指南》（鏈接在頁面底部），長期使用涓流方式（以很小的電流長時間充電）充電有可能導致電池損壞；為了防止損傷電池，涓流充電的電流應限制在

20、0.033×C每小時 到 0.05×C每小時 之間，最長充電時間為20小時。 對于鎳氫電池的長期保養(yǎng)來說，使用低頻脈沖-大電流的的充電方式要比使用涓流充電方式更能保持好電池狀態(tài)。新買回來的，或者是長時間未使用的鎳氫電池，需要一段“</p><p>　　在電池的使用過程中，也必須小心。對于串聯(lián)在一起的幾顆電池（比如數(shù)碼相機中4顆AA電池的通常排列方式），要避免電池完全耗盡電能，進而發(fā)生“反向充電

21、”（Reverse charging）。這會對電池產(chǎn)生不 </p><p>　　圖3（2.3）充電器</p><p>　　可挽回的損害。不過，通常這些設備（比如之前提到的數(shù)碼相機）能夠檢測串聯(lián)電池的放電電壓，當它下降到一定程度時，便自動關閉，以保護電池。單顆電池并不會有以上的危險，只會一直放電，直到電壓為0。這不會對電池造成損害，實際上，周期性地將電放完然后再充滿有利于保持電池的容量與質量

22、。 鎳氫電池具有較高的自放電效應，約為每個月30%或更多。這要比鎳鎘電池每月20%的自放電速率高。電池充得越滿，自放電速率就越高；當電量下降到一定程度時，自放電速率又會稍微下降。電池存放處的溫度對自放電速率有十分大的影響。正因如此，長時間不用的鎳氫電池最好是充到40%的“半滿”狀態(tài)。低自放電效應的鎳氫電池在2005年推出市面，生產(chǎn)商宣稱在20℃室溫存放一年后仍可保存70至85%電量，而且可以以一般的鎳氫電池充電機進行充電。某些低自放電效

23、應的鎳氫電池在低溫下有比堿性電池及鋰離子電池更佳的放電特性。</p><p>　　不同型號(特別是不同體積)的電池,他的容量越高,提供使用的時間越長.拋開體積和重量 </p><p>　　圖4（2.3）鎳氫電池</p><p>　　的因素,當然容量越高越好. 但是同樣的電池型號,標稱容量(比如600mAh)也相同,實際測的初始容量不同:比如一個為660mAh,另一個

24、是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好嗎. 　　實際情況可能是容量高的是因為電極材料中多了增加初始容量的材料,而減少了電極穩(wěn)定用的材料,其結果就是循環(huán)使用幾十次以后,容量高的電池迅速容量衰竭,而容量低的電池卻依然堅挺.許多國內(nèi)的電芯廠家往往以這個方式來獲得高容量的電池.而用戶使用半年以后待機時間卻是差得一塌糊涂. 　　民用的那些AA鎳氫電池(就是五號電池),一般是1400mAh,卻也有標超高容量的(1600mAh),道理

25、也是一樣. 　　提高容量的代價就是犧牲循環(huán)壽命,廠家不在電池材料的改性上下文章,是不可能真正"提高"電池容量的. 電池材料比表面積研究是非常重要的，電池材料比表面積檢測數(shù)據(jù)只有采用BET方法檢測出來的結果才是真實可靠的，國內(nèi)目前有很多儀器只能做直接對比法的檢測，現(xiàn)在國內(nèi)也被淘汰了。目前國內(nèi)外比表面積測試統(tǒng)一采用多點BET法，國內(nèi)外制定出來的比表面積測定標準都是以BET測試方法為基礎的，請參看中國國家標準（GB/T 1

26、95</p><p><b>　　2.4太陽能電池板</b></p><p>　　太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。</p><p>　　太陽光照在半導體PN結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結電場的作用下，光生空穴由n

27、區(qū)流向p區(qū)，光生電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。</p><p>　　太陽能電池的分類簡介</p><p>　　太陽能電池按結晶狀態(tài)可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機

28、膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化鋅 (Zn 3 p 2 ）等。 　　太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。 </p><p&

29、gt;<b>　?。?）硅太陽能電池</b></p><p>　　硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%（截止2011，為18%）。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非

30、晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉換效率為10%（截止2011，為17%）。因此，多晶硅薄膜電池不久將會 </p><p>　　圖1（2.4）國際空間站太陽能電池板</p><p>　　在太陽能電地市場上占據(jù)主導地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便

31、于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅太陽能電池無疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 </p><p>　?。?）多晶體薄膜電池</p><p>　　多晶體薄膜電池硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由

32、于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。 　　砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs材料的價格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。 　　銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良

33、好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。 </p><p>　　（3）有機聚合物太陽能電池</p><p>　　以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價電能具有重要意

34、義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實用意義的產(chǎn)品，還有待于進一步研究探索。 </p><p>　?。?）納米晶太陽能電池</p><p>　　納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/1

35、0．壽命能達到20年以上。 　　此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，不久的將來會逐步走上市場。 </p><p>　?。?）有機薄膜太陽能電池</p><p>　　有機薄膜太陽能電池，就是由有機材料構成核心部分的太陽能電池。大家對有機太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它無機材料制成的。 </p><p>

36、　　（6）染料敏化太陽能電池</p><p>　　染料敏化太陽能電池，是將一種色素附著在TiO2粒子上，然后浸泡在一種電解液中。色素受到光的照射，生成自由電子和空穴。自由電子被TiO2吸收，從電極流出進入外電路，再經(jīng)過用電器，流入電解液，最后回到色素。染料敏化太陽能電池的制造成本很低，這使它具有很強的競爭力。它的能量轉換效率為12%左右。 </p><p>　?。?）塑料太陽能電池<

37、/p><p>　　塑料太陽能電池以可循環(huán)使用的塑料薄膜為原料，能通過“卷對卷印刷”技術大規(guī)模生產(chǎn)，其成本低廉、環(huán)保。但目前塑料太陽能電池尚不成熟，預計在未來5年到10年，基于塑料等有機材料的太陽能電池制造技術將走向成熟并大規(guī)模投入使用。</p><p>　　目前市場上大量產(chǎn)的單晶與多晶硅的太陽電池平均效率約在15%上下，也就是說，這樣的太陽電池只能將入射太陽光能轉換成15%可用電能，其余的85

38、%都浪費成無用的熱能。所以嚴格地說，現(xiàn)今太陽電池，也是某種型式的“浪費能源”。當然理論上，只要能有效的抑制太陽電池內(nèi)載子和聲子的能量交換，換言之，有效的抑制載子能帶內(nèi)或能帶間的能量釋放，就能有效的避免太陽電池內(nèi)無用的熱能的產(chǎn)生，大幅地提高太陽電池的效率，甚至達到超高效率的運作。而這樣簡易的理論構想，在實際的技術上，卻可以用不同的方法來執(zhí)行這樣的原則。超高效率的太陽電池（第三代太陽電池）的技術發(fā)展，除了運用新穎的元件結構設計，來嘗試突破其

39、物理限制外，也有可能因為新材料的引進，而達成大幅增加轉換效率的目的?！”∧ぬ栯姵?包括非晶硅太陽能電池，CdTe 和 CIGS（copper indium gallium selenide）電池。雖然目前多數(shù)量產(chǎn)薄膜太陽電池轉換效率仍無法與晶硅太陽電池抗衡，但是其低制造成本仍然使其在市場有一席之地，且未來市場占有率仍會持續(xù)成長。 </p><p><b>　　2.5LED簡介</b><

40、;/p><p>　　LED英文單詞的縮寫，主要含義：LED = Light Emitting Diode，發(fā)光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成。LED(Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管)是一種能夠將電能轉化為光能的半導體，它改

41、變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點非常明 </p><p>　　圖1（2.5）LED燈泡以及燈具圖片</p><p>　　顯，壽命長、光效高、低輻射與低功耗。白光LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/

42、W，壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效理論上可以超過150lm/W，壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大。然而，LED燈的工作原理使得在大功率LED照明行業(yè)里散熱問題變得非常突出，許多LED照明方案不夠重視散熱，或者是技術水平有限，所以目前量產(chǎn)的大功率LED燈普遍存在實際使用壽命遠

43、遠不如理論值，性價比低于傳統(tǒng)燈具的尷尬情況。為了提高LED燈具的使用壽命，真正做到適合商業(yè)化的量產(chǎn)，LED照明行業(yè)正在獨立或者和專業(yè)的導熱材料供應商合作加緊研制新型導熱材料，比如導熱塑料等等。大功率LED，一般指大于0.65W，這一點不同公司內(nèi)部也會有不同的標準，因為目前在大功率LED領域還沒有形成大家一致認可的行業(yè)標準。光強與流明比小</p><p>　　圖2（2.5）LED燈株</p><

44、p>　　在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。

45、 </p><p>　　圖3（2.5）貼片LED</p><p>　　LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多

46、數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。一般最常見的LED工作功率都是設定于30至60毫瓦電能以下。在1999年開始引入了可以在1瓦電力輸入下連續(xù)使用的商業(yè)品級LED。這些LED都以特大的半導體芯片來處理高電能輸入的問題，而那半導體芯片都是固定在金屬鐵片上，以助散熱。在2002年，在市場上開始有5瓦的LED的出現(xiàn)，而其效率大約是每瓦18至22流明?！?】</p><p><b>　　第三章</b><

47、;/p><p>　　3.1實驗的基本思想</p><p>　　本實驗的大致思想如圖</p><p><b>　　圖1（3.1）</b></p><p><b>　　3.2工作原理</b></p><p>　　圖1（3.2）它是由太陽能電池GE、充電電池GB以及控制電路和紅色的

48、LED閃光二極管組成。太陽能電池GE白天將太陽的光能轉換為電能，通過二極管VD1對鎳氫充電電池充電。該燈的控 制電路是由兩種不同性質的三極管VT1(PNP型)和VT2(NPN型)組成一組互補型的開關電路，以及開關二極管VD2、VD3和電阻R組成的光控觸發(fā)電路。由于白天時太陽能電池的兩極有電壓，由開關二極管VD2、VD3和電阻R組成的觸發(fā)電路，將電壓施加在三極管VT1的基極上，使其處于截止狀態(tài)，因而開關管VT2也不導通，LED發(fā)光管不工作

49、。當夜晚來臨或光線較弱時，由于太陽能電池兩端的電壓大幅度下降或消失，VT1的基極失去觸發(fā)電壓便開使導通，轉而促使VT2也同時導通，于是紅色LED發(fā)光二極管VD4被點亮。當?shù)诙焯炝習r，由于太陽能電池的兩極輸出電壓，于是三極管VT1又轉為截止，使開關管VT2不導通，LED發(fā)光管由此關閉?！?】將VD1 1N5817換成一個發(fā)光二極管LED，一，可以通過觀察LED的亮暗與否來判斷太陽能電池板是否對充電電池進行充電，二，LED本身也是個二極管

50、，當開關閉合充電電池開始放電時，它可以阻止電流流</p><p><b>　　3.3所用材料簡介</b></p><p>　　1 太陽能電池板GE：GE是由12片面積分別為7mm×105mm單晶硅片串聯(lián)所組成的電池組，貼附在一塊115mm×115mm的環(huán)氧基板上(圖2)，并在表面封涂上一層多酚樹脂加以保護，在板的背面 引出電池的電極。太陽能電池的功

51、率參數(shù)為：開路電壓6.8V、短路電流180mA、最大功率1.2W，其光電轉換效率約13％、最大輸出功率為0.85W。</p><p>　　2 充電電池GB :電路電源所用的充電電池選用電壓為1.2V、容量為1.3Ah的鎳氫電池共三節(jié)</p><p>　　3 三極管9012和9013（VT1和VT2)：VT1 9012是非常見的晶體三極管，在收音機以及各種放大電路中經(jīng)?？吹剿瑧梅秶軓V,

52、它是PNP型小功率三極管。集電極-基電壓 -40V，射極-基極電壓 -5V，集電極電流 0.5A，耗散功率 0.625W，結溫150℃，特怔頻率最小150MHZ 。VT2 9013是非常見的晶體三極管 結構：NPN，集電極-發(fā)射極電壓 25V，集電極-基電壓 45V，射極-基極電壓 5V，集電極電流0.5A，耗散功率 0.625W，結溫150℃，特怔頻率 最小 150MHZ。</p><p>　　4 VD2和V

53、D3（1N4148）：IN4148是一種小型的高速開關二極管，開關比較迅速，廣泛用于信號頻率較高的電路進行單向導通隔離,通訊、電腦板、電視機電路及工業(yè)控制電路中常用它。</p><p>　　5 VD4發(fā)光二級管（LED）：發(fā)光管使用的是一支內(nèi)部固化有閃光電路的超高亮度的紅色LED閃光二極管，其工作電壓2V、工作電流20～30mA、閃光頻率為1Hz左右。</p><p>　　3.4multi

54、sim仿真簡介</p><p>　　Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進

55、行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程，NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE

56、分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠</p><p>　　3.5multisim仿真電路</p><p>　　圖1（3.5）開關閉合時仿真電路圖。</p><p>　　圖2（3.5）開關打開時仿真電路</p>

57、<p>　　當陽光照射太陽能電池板時（開關斷開），板子兩端產(chǎn)生電壓，所以LED1回路導通，LED1亮，太陽能電池板給充電電池充電，當充電結束后（開關閉合），LED1滅與此同時LED2回路導通，LED2亮，表明充電電池正在給LED2回路放電</p><p><b>　　第四章</b></p><p><b>　　4.1對比試驗</b>&l

58、t;/p><p><b>　　太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)</b></p><p>　　傳感器結構：該跟蹤器的傳感器結構見圖1。設置一個圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個方向上分別布置4 只光敏電阻;其中P1、P3 東西對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉角度即方位角;P2、P4 南北對稱安裝在圓筒的兩側，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角;在圓筒內(nèi)部，東

59、、南、西、北四個方向上也分別布置4 只光敏電阻，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度和太陽的視高度。圖1（4.1） 傳感器結構示意圖</p><p><b>　　立柱轉動式跟蹤器</b></p><p>　　跟蹤器的結構見圖2。步進電機1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對于底座可以轉動)，轉動架以及支架固定安裝在主軸上，光伏電池、步進電機2

60、安裝在支架上面(光伏電池相對于支架可以轉動)，步進電機2 的輸出軸連接在光伏電池上。圖2(4.1) 立柱轉動式跟蹤器示意圖</p><p>　　當光線發(fā)生偏移，控制部分發(fā)出控制信號驅動步進電機 1 帶動轉動架以及固定在轉動架上的主軸、支架以及光伏電池轉動;同時控制信號驅動步進電機2 帶動光伏電池相對與支架轉動，通過步進電機1、步進電機2 的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和高度角的跟蹤[2]。</p>

61、<p><b>　　MPPT控制器</b></p><p>　　光伏電池的輸出功率與它的工作電壓有關(U-P曲線一般呈先上升后下降的光滑曲線，中間的某個電壓值取得最大功率)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。如：在日照強度為1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可見30V的電壓下輸出功率更大。MPP

62、T(最大功率點跟蹤)控制器主要功能是:檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤 [3]。圖 3為實際應用擾動與觀察法來實現(xiàn)最大功率點追蹤的示意圖。圖3 (4.1)MPPT控制實現(xiàn)示意圖</p><p>　　擾動電阻 R 和MOSFET 串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動。同時，光伏電池

63、的輸出電流和輸出電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽能光電板輸出功率增加，下一周期繼續(xù)朝同一方向擾動，反之，當太陽能光電板輸出功率減少時，表示擾動方向錯誤，下一周期朝反向擾動，如此反復進行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設計</b></p><p&

64、gt;　　系統(tǒng)的主控制電路在整個設計中占有重要地位，它主要對主回路進行控制，保證 MPPT 算法有效實現(xiàn)，使 DC/DC 變換保持恒壓輸出，且與 LCD 的人機接口通信。它還在對蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。首先它對光伏電池功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了光伏電池能量的浪費。其次，主控制器控制的恒壓電流也使設計恒壓充電的充放電電路變的容易。系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。圖4(4.1)系統(tǒng)結構框

65、圖</p><p><b>　　驅動電路</b></p><p>　　光敏電阻采用的型號為GM5516,亮電阻：5-10 K Ω，暗電阻：200K Ω以上。系統(tǒng)通過對4對8路(R1對應圖1中的P1,R2對應圖1中的P3，R3-R8同理)光敏電阻即時進行A/D采集，將所采集的模擬量轉化為數(shù)字量，判斷方位角和俯仰角的變化，并通過I/O(OUT1-OUT8)給步進電機1個正

66、轉或反轉脈沖，控制步進電機轉向正確的方向，然后繼續(xù)進行A/D采集和控制，直到信號差在一定范圍之內(nèi)，此時光伏電池正對太陽。電路示于圖5和圖6。圖5 (4.1)光敏電阻采集電路圖6(4.1)步進電機驅動電路</p><p>　　步進電機57BYG007，GSP-24RW-046，皆為四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高電平，ULN2803(步進電機驅動芯片，集電極輸出)的1腳到4腳依次為高

67、電平，這樣就給步進電機1(57BYG007)正轉一步的脈沖信號，步進電機正轉1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高電平，步進電機反轉1.8度，GSP-24RW-046驅動原理與之相同。</p><p>　　DC/DC、MPPT電路</p><p>　　系統(tǒng)所采用光伏電池正常工作電壓10-14V，工作電流1A左右，所采用的蓄電池為12V-7AH，由于 12V的蓄電池一

68、般需要13-15V的電壓為之充電，而光伏電池如果不經(jīng)過DC/DC處理，無法保證為蓄電池穩(wěn)壓充電。因此通過BOOST升壓電路將光伏電池電壓升高20V(大功率步進電機需要較大電壓，此處可以為將來系統(tǒng)升級做準備)，然后降壓到14V為蓄電池穩(wěn)壓充電[5]，電路圖如圖7所示。圖7 (4.1)DC/DC及MPPT電路</p><p>　　圖7電路左端為光伏電池，右端輸出電壓為Uo(圖7的Uo為圖8的Uin)，我們需要得到

69、右端Uo=20V。</p><p>　　首先通過并聯(lián)50K、10K電阻組成的電路，并對10K電阻兩端A/D采集，采集電壓Uad1，間接得到蓄電池兩端電壓Uin=6Uad1;</p><p>　　Uo要求為20V, 通過Uo = Uin/(1-D)可計算出需要的D(Q1的占空比),輸出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驅動電壓要求15V,所以PWM1需要經(jīng)過上拉電壓15V和光耦

70、開關組合后對Q1控制，不是簡單的控制Q1。</p><p>　　通過R5、R6組成的電路采集R6兩端電壓Uad2，間接得到Uo=6 Uad2，將Uo與20V比較，即時調(diào)整實際的D，使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脈沖周期的5%)，然后延時、采集、判斷，直到得到精確的占空比D，能夠準確輸出電壓Uo=20V。</p><p>　　在輸出電壓基本穩(wěn)定的基礎上，設置Q4的PWM2，改變

71、R7擾動電阻的占空比，來改變輸出電流，通過對R8兩端電壓的A/D采集，采集電壓Uad3，得到電路總電流I=Uad3/R8,因此得到太陽能電池輸出總功率P=Uin×I(因為電路是電流連續(xù)工作，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，C1電流可忽略，甚至電容C1可除去，且光伏電池左端的采集電阻相當大，電流極小，亦可忽略)，改變光伏電池即時輸出實際功率，來實現(xiàn)MPPT。</p><p>　　蓄電池充放電控

72、制電路</p><p>　　白天，光伏電池需要為蓄電池充電，以便蓄電池能夠晚間對負載(路燈)供電，并且步進電機的工作電能也需要由光伏電池提供(若光伏電池的功率不足以帶動電機，說明日照極差，無需轉動電機)，ARM板必須連續(xù)供電，白天由光伏電池供電，夜間由蓄電池供電，這一套充放電控制電路需要用到2個繼電器，一個是控制蓄電池充電和放電，另一個控制ARM板的工作電壓由光伏電池提供還是蓄電池提供，電路如圖8所示。圖8(

73、4.1) 蓄電池充放電控制電路</p><p>　　電路右端Uin=20V作為輸入電壓，通過BUCK降壓電路將電壓降到14V為蓄電池充電，Uo=Uin×D,要得到14V電壓，設置Q2的占空比為70%。白天：2個繼電器皆為常開狀態(tài)A,光伏電池為步進電機和ARM供電(采用7805穩(wěn)壓管降壓到5V)，并為蓄電池充電，蓄電池正極接反相截至二極管，保證充電同時不放電。夜間(或日照極差，由光敏電阻判斷)：繼電器1、

74、2被吸合到B,步進電機停止工作，蓄電池為ARM供電，并帶動負載(路燈)工作。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要的控制作用都是由主控制軟件實現(xiàn)的，主要包括：A/D模塊，DC/DC 模塊，MPPT 及蓄電池充放電控制等。系統(tǒng)重點在硬件設計，軟件設計相對較簡單，主程序流程圖如圖 9所示。圖9 (4.1)主程序及主控后臺程序

75、流程圖【7】</p><p>　　此實驗為《基于ARM的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》，與本實驗相比，它用到了MPPT（最大功率點跟蹤），步進電機，DC/DC等等，這些東西都是現(xiàn)在較為先進的，但這些元件在控制電路中消耗的功率也比較大。而在本實驗中，所用元件都是一些低功耗的元件，控制電路中消耗的功率很低，可以把更多太陽能電池板發(fā)出的能量更多的留給負載。</p><p><b>　

76、　第五章 </b></p><p><b>　　5.1總結</b></p><p>　　本實驗是主要是利用二極管和三極管的組合來實現(xiàn)太陽能電池的控制電路，此實驗雖然簡單，但闡明了一個思想，就是在現(xiàn)在太陽能電池光電轉換效率不高的今天通過小功率的元件來實現(xiàn)控制電路，將更多由太陽能產(chǎn)生的能量留給負載，本實驗的優(yōu)點就在于運用低能耗的器件來實現(xiàn)電路。本實驗的缺點在于

77、智能化較差，需要手動開關來控制，也不能有效的保護蓄電池由于過度充電產(chǎn)生的壽命降低。</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　此電路控制系統(tǒng)在一下三個方面可以進行提高，第一太陽能電池板，現(xiàn)有的太陽能電池板的光電轉換率總體不高，有很大的提升空間，十二五規(guī)劃中也重點提及此方向的研究，在不就的未來相信我們會造出高性能的太陽能電池板。這是在材料方向所

78、應研究的方向，第二控制電路，在現(xiàn)有的產(chǎn)品中有涉及到例如用到MPPT（最大功率跟蹤），它是由太陽能電池板發(fā)電首先傳輸?shù)組PPT驅動電機轉動，保證太陽能電池板光的接收面積始終保持最大。還有用到LT3652芯片，此芯片具有低功耗等優(yōu)點,它和MPPT的工作原理差不多，其輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路電路提供幾乎與最大峰值功率跟蹤（MPPT)充電方法，同樣的充電效率。但不用驅動電機。第三蓄電池，現(xiàn)有的蓄電池雖說容量在不斷增大，但其壽命短的缺陷依然存在，如果能造

79、出容量更大且壽命更長的蓄電池，將對更好的利用太陽能有著至關重要的作用。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　一起走過的四年，我學業(yè)上的成績和生活中的快樂是很多人在經(jīng)意與不經(jīng)意間所賜予的。這種賜予尤其集中的突顯于撰寫畢業(yè)論文的這段時間。</p><p>　　當答辯終于順利通過的時候，我最想感謝的就是我的導師李德昌教授。從

80、選題到論文的結構再到表述的規(guī)范，他都一一給予非常悉心的指導。李老師是一個非常智慧但又不是親切的人，我很感激他對我要求上的嚴格與認真以及能力上的肯定與信任。從李老師身上，我所領受的不僅僅是他治學上的嚴謹，更重要的是他對學生赤誠的愛與關心。她所做的一切總是能在讓我感動的同時，拾得非常有益的人生智慧。</p><p>　　感謝08521班的所有同學所給予的關心和幫助！</p><p>　　最后，

81、特別感謝我的父母給予我的支持和幫助！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】百度知道 2012年3月</p><p>　　【2】任健著，《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》（中國牌太陽能制造機）雜志2012年出版</p><p>　　【3】國民經(jīng)濟第十二個五年規(guī)劃之光電發(fā)電2012年出版</p&g

82、t;<p>　　【4】江小安著，《模擬電子技術》西北大學出版社，2006年10月出版</p><p>　　【5】百度百科（鎳氫電池，太陽能電池和LED）2012年5月</p><p>　　【6】電子產(chǎn)品世界網(wǎng)（太陽能警示燈控制電路）2012年1月發(fā)表</p><p>　　【7】與非網(wǎng)（基ARM的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)）2011年5月發(fā)表<