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1、 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE Lead-acid batteries,MPPT; solar car; monitor. 太阳能发电系统能量存储监测仪 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题背景及目的 . 1 1.2 国内外研究状况 . 2 1.3 课题研究方法 . 3 1.4 论文构成及研究内容 . 4 2 太阳能电池模型 . 5 2.1 太阳能电池的分类简介 . 5 2.2 光伏电池原理及其数学模型 . 5 3 最大功率跟踪算法研究与控制器的实现 . 7 3.1 最大功率跟踪算法研究 . 7 3.2 MPPT 控制器硬件实现 . 9 3.3 MPPT 控制
2、算法实现 . 10 4 光伏发电系统蓄电池运行监测管理系统的研究 . 13 4.1 铅酸蓄电池充电特性 . 13 4.2 光伏发电系统蓄电池运管理仿真研究 . 15 4.3 蓄电池运行管理系统结论 . 18 5 车载系统的硬件设计 . 19 5.1 系统功能设计 . 19 5.2 系统的组成与工作原理 . 19 5.3 传感器的基本特性 . 21 5.4 温度传感器的选型 . 23 5.5 湿度传感器选型 . 28 5.6 光强传感器 . 33 5.7 微处理器的选择 . 36 5.8 LCD 显示器的选择 . 41 6 车载系统的软件设计 . 45 太阳能发电系统能量存储监测仪 6.1 主程
3、序设计 . 45 6.2 各任务设计 . 45 7 结论 . 55 参考文献 . 56 致谢 . 58 附录 A 温度、湿度、光强传感器源程序代码（采样及显示） . 59 太阳能发电系统能量存储监测仪 第 1 页 共 71 页 1 绪论 1.1 课题背景及目的 太阳能汽车 solar car 太阳能发电在汽车上的应用，将能够有效降低全球环境污染，创造洁净的生活环境，随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能汽车作为一个产业已经不是一个神话。燃烧汽油的汽车是城市中一个重要的污染源头，汽车排放的废气包括二氧化硫和氮氧化物都会引致空气污染，影响我们的健康。现在各国的科学家正致力开发产生较少污染的电动汽
4、车，希望可以取代燃烧汽油的汽车。但由于现在各大城市的主要电力都是来自燃烧化石燃料的，使用电动汽车会增加用电的需求，即间接增加发电厂释放的污染物。有鉴于此，一些环保人士就提倡发展太阳能汽车，太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在储电池中存起备用，用来推动汽车的电动机。由于太阳能车不用燃烧化石燃料，所以不会放出有害物。据估计，如果由太阳能汽车取代燃汽车辆，每辆汽车的二氧化碳排放量可减少 43 至 54%。 太阳能电池及太阳能发电前景简析。 目前,太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农
5、村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出 1kW 电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。 虽然世界上已经有几个国家研制出太阳能电动汽车，但太阳能因地而异，因时而变的特点使其投入商业运营推广应用受到限制。 太阳能电动车受天气路况等影响较大，需不断地充电，且充电时间过长、频率高、续行里程过短，蓄电池容量低，体积大，储能效果差，能量监测系统
6、缺乏准确的数学模型等关键问题。 太阳能发电系统能量存储监测仪 第 2 页 共 71 页 太阳能电池做为太阳能汽车的能源部分，如何高效合理的利用成为近期的研究热点。 能量监测系统对于太阳能电动车的运行有着重要的意义，对电池及其能量系统的有效监测、合理匹配都有很大影响，并将会大大提高电池的利用率并大大降低成本。 1.2 国内外研究状况 全球太阳能电池产业现状 据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有 95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998 年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达 10
7、00 兆瓦,1999 年达 2850 兆瓦。根据欧洲光伏工业协会 EPIA2008 年的预测，如果按照 2007 年全球装机容量为 2.4GW 来计算，2010 年全球的年装机容量将达到 6.9GW,2020 年和 2030 年将分别达到56GW和281GW， 2010年全球累计装机容量为25.4GW， 预计2020年达到278GW，2030 年达到 1864GW。全球太阳能电池产量以年均复合增长率 47%的速度迅猛增长，2008 年产量达到 6.9GW。 太阳利用的主要形式是光伏发电,其中将太阳转化为电能的器件是太阳电池。但是,太阳电池的输出特性易受外界环境如日照强度、 温度等因素的影响而变
8、化,输出不稳定会导致能源利用率大大降低。因此,为了最大限度地利用转换出来的电能,需要光伏系统实时跟踪太阳电池的输出功率,令其始终工作在最大功率点,我们称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ,MPPT)。 传统的太阳能光伏电池系统的最大功率点跟踪方法有很多。使用得最多的是增量电导法、扰动观察法(又称为爬山法)等自寻优的方法，它们均是根据光伏阵列本身的电压、电流值来确定最大功率点。但是，电导增量法则可能由于测量仪器的精确度问题而产生较大的误差；如果扰动观察法的步长选取得不合适，就会造成系统在最大功率点附近来回振荡。 在电工网络中,为使电源输出最大功率,通常
9、要进行恰当的负载匹配,即当负载电阻与电源内阻相等时,负载可从电源处得到最大的能量转移。 而太阳能汽车是通过光伏电池对汽车蓄电池充电然后在由蓄电池提供给汽车电机能源， 蓄电池的充电效率与光伏电池最大功率相匹配时才能使太阳能汽车对阳光了利用率达到最高。对整个系统的能量监测有利于最大限度的提高光伏电池的能量转换和存储。 自从 20 世纪 30 年代, 阿道夫 德斯勒(Adolph. Dassler) 获得第一个免维护密闭铅酸蓄电池(而今叫做阀控铅酸蓄电池VRLA) 雏形的专利后, 美国等国家的许多汽车公司太阳能发电系统能量存储监测仪 第 3 页 共 71 页 开始从事免维护蓄电池的研究和试制工作。1
10、970 年, 美国狄尔柯(Delco) 公司在美国首先采用铅钙合金制成免维护蓄电池, 并申请了制造专利。接着, 美国、日本、西德等国的主要铅酸蓄电池厂先后对此投入大量的人力、物力进行研制, 或引进技术, 制造具有自己风格的免维护蓄电池。1975 年狄尔柯公司对原有免维护蓄电池上作了进一步改进, 制成了汽车免维护蓄电池, 在美国通用汽车公司的汽车上正式使用(这种电池不是采用内部氧循环原理设计的,是一种具有特殊结构特征的,用于汽车且使用寿命较长,不需要加水的富液式铅酸蓄电池。 从此以后, 国际上兴起了免维护蓄电池的热潮。当今,美、日、德等工业发达国家都有自己免维护蓄电池的系列产品, 并占有相当的市
11、场。中国对于免维护蓄电池的研制是在 1975 年的全国蓄电池行业会议上提出来的, 但因受到合金材料的限制, 直到 80 年代中期才有少数厂家开始研制免维护蓄电池, 到 80 年代末期, 已能投入批量生产。目前, 国内规模较大的铅酸蓄电池生产厂均已不同程度地掌握了免维护蓄电池的制造技术, 并形成了规模生产的能力。免维护蓄电池在蓄电池市场上的占有量将越来越大。 免维护蓄电池由于其容量大、价格低、基本免维护等优越性已广泛应用于社会的方方面面: 电动车驱动、通讯电源、UPS 系统、PV 系统、电力直流屏、军事系统等。据预测在未来十年, 铅酸电池主流将还是 VRLA。 但铅酸蓄电池的容量检测由于受到诸多
12、因素(温度、电压、充放电电流及次数、放电深度、内阻、溶液的密度、使用时间、自放电等) 的影响,难以准确进行在线测量8, 从而给应用带来诸多不便: 电动车无法准确指示电量, 造成无法预测的抛锚。轻的造成司机的尴尬(远离充电站, 还不能像燃油汽车一样, 通过向别的司机借用燃料) ,重的造成事故(停在铁道口、十字路口、高速公路非停车处等);UPS 带不动负载,起不到保护效果;电力直流屏无法正常工作等不利或事故。而对这些应用中的许多问题, 电池是在电力电源断电后的最后一道保护屏障, 可见其重要性。这些问题有些可以通过对电池进行提前充电解决;而有些看似满容量但并不能输出这么多,对于这些电池只有更换。如何准确快捷地检测出电池的可输出容量是摆在世界各国电池应用工程师面
