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1、摘 要由于当今能源短缺,太阳能的无限可利用价值使其成为全世界瞩目的焦点,但一直以来太阳能充电技术都没有突破性进展,光伏器件转换效率低,蓄电池价格昂贵,因此研究光伏充电技术是非常有意义的。本论文对太阳能充电技术进行了较为深入的研究,以充分保护蓄电池和最大限度地增大太阳能电池的转换效率为基本设计目标,采用PIC16F877进行智能控制,对太阳能最大功率跟踪技术和蓄电池的充电技术进行了系统的理论、仿真和试验研究,并对最大功率跟踪系统进行模糊控制,制作了基于模糊控制的太阳能最大功率跟踪充电控制器。主要内容如下:1、对太阳电池的数学模型和输出特性进行研究,分析外界环境温度和光照强度对输出特性的影响,在对
2、光伏电池阵列数学模型进行充分分析抽象之后,建立光伏电池仿真模型。2、针对太阳能电池特性,在深入分析最大功率跟踪原理的基础上,通过分析最大功率跟踪的各种控制方案,提出了一种基于模糊控制的最大功率跟踪控制,以充分提高太阳能电池板的利用率,并对扰动观察法和模糊控制法分别进行了仿真建模,比较这两种控制方法的优劣,并用实验验证了模糊控制最大功率跟踪的充电可行性。3、对蓄电池的特性、工作原理及充电方法进行深入研究之后,结合系统整体的需要选用多阶段恒流技术充电,对蓄电池的充电过程进行保护,设计了安全控制电路,使充电控制器系统运行在稳定的状态,诸如防反接、过流、过压、EMI防护等。并对系统主电路所选用的参数进
3、行分析与计算,选用Buck电路,对12V的蓄电池进行充电。关键词:太阳能;充电;最大功率点跟踪(MPPT);模糊控制ABSTRACTThe unlimited use value has become the focus of world attention as the shortage of solar energy.There is no breakthrough progress in solar charge technology.Not only is photovoltaic devices conversion efficiency low,but also is the ba
4、ttery more expensive.It is very significant to research photovoltaic battery charge technology.This paper did a deep reseach for solar charge technology.By enhancing photoelectric conversion efficiency of solar cells and protecting the lead-acid accumulator as the basic design objects,and using PIC1
5、6F877 to intelligent control.The solar energy maximum power point tracking(MPPT) technology and storage battery charging technology were researched and simulated in this paper. The solar energy MPPT charging controller is made based on the fuzzy control.The main content are as follows.1.The solar ba
6、ttery mathematical model and output characteristics were researched, and the outside temperature and the influence to output characteristic for illumination intensity were analysied in this paper.The photovoltaic battery simulation model was established after analysing the photovoltaic battery array
7、 mathematical model.2.This paper put forward a kind of MPPT basing on the fuzzy control by analysing many MPPT controlling strategy in order to enhance photoelectric conversion efficiency of solar cells.Then,the simulation models were designed by P&O and the fuzzy control separately and compared the
8、 two methods. Finally,the experimental results showed the feasibility of fuzzy control MPPT.3.After deep researching for the storage battery characteristics,working principle and charging method,it designed the safety control circuit by using Multi-Stage constant current charging technology.For exam
9、ple,protection for reverse polarity,over current,over voltage and EMI.It analysed and calculated for the system main parameters.The 12Vstorage battery is charged by Buck circuit.Key Words:Solar energy;Charge;MPPT;Fuzzy control目 录前言I第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 国内外光伏发电产业的现状11.3 课题的研究意义2第二章 光伏电池与蓄电池介绍32.1 光伏电
10、池工作原理及特性32.2 蓄电池的工作原理及其充电技术8第三章 最大功率点跟踪原理113.1 常用最大功率点跟踪原理113.2 伏阵列最大功率跟踪点控制算法12第四章 系统硬件电路设计154.1 系统总体设计方案154.2 Buck电路硬件设计164.3 控制器功能及工作原理184.4 保护电路设计254.5 辅助电源电路设计28第五章 系统软件设计305.1 太阳能充电器总体软件设计流程315.2 最大功率跟踪软件设计流程325.3各种保护电路作用的软件设计流程33总 结1致 谢I参考文献I附录I1前 言随着地球资源的不断减少,太阳能成为人们首选的新能源,具有可再生和无污染等优点,深受人们的
11、关注,对太阳能的开发和利用是我们人类今后生存的主要手段。光伏发电作为太阳能一种有效的利用方式,也得到了迅速的发展。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大,光伏发电市场发展前景相当广阔,已经引起了世界发达国家的高度重视。据欧盟估计,全球光伏市场将从现今的3000Mw增加到2020年的70GW。光伏发电将解决非洲30、经济合作与发展组织(OECD)国家10的电力需求。和发达国家相比,中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象,即90的原材料依赖进口,而90的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢,各种光伏材料的发展都相对落后。20世纪90年代以后,随着成本的降低,太阳
12、电池产量迅速增长,使得中国的光伏市场迅速增长,总装机容量从2001年的23.5Mw迅速增长到2002年的45Mw,至2003年达到55Mw。本设计主要是针对手机电池太阳能电池板、控制器部分和蓄电池。主要研究控制器部分的设计,采用最大功率点跟踪定理(MPPT)为主导思想,对BUCK电路各元件参数选择和保护电路设计,重点解决最大功率跟踪如何实现,并且通过最大功率点跟踪定理(MPPT)实现最大功率输出,为电池充电。本设计要解决的另外一个问题是对电池的过充保护。铅酸蓄电池虽因其制造成本低,容量大,价格低廉而被广泛使用。但是,若使用不当,其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素有很多,过充就是其中之一
13、,因此,采用正确的充电方式能有效延长蓄电池的使用寿命。第一章 绪 论1.1 课题背景随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类所面临的迫切课题。当今发电所需的能源主要有3种,即火电、水电和核电。火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。但是化石燃料蕴藏量有限、越烧越少,正面临着枯竭的危险,据估计,全世界石油资源再有30年便将枯竭,而且燃烧燃料将排出二氧化碳和硫的氧化物,会导致温室效应和酸雨,恶化地球环境。水电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦塌崩,后果将不堪设想。另外,一个国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干
14、净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故,已使900万人受到了不同程度的损害,而且这一影响并未终止。这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种,一是太阳能,二是燃料电池。另外,风力发电也可算是辅助性的新能源。其中,最理想的新能源是大阳能。1.2 国内外光伏发电产业的现状太阳能是一种朝阳产业,不仅拥有良好的经济前景,且随其产业化的发展,将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大,光伏发电市场发展前景相当广阔,已经引起了世界发达国家的高度重
15、视。日本利用其电子技术优势,大力发展光伏发电产品,其产量已经相当于全球产量的50以上;德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场,出口额占世界贸易额的80以上。据欧盟估计,全球光伏市场将从现今的3000Mw增加到2020年的70Gw(w为峰瓦),光伏发电将解决非洲30、经济合作与发展组织(OECD)国家10的电力需求。和发达国家相比,中国的光伏发电产业出现了非常奇怪的“两头在外”现象,即90的原材料依赖进口,而90的光伏产品却进入了国际市场。光伏产业的发展也相对缓慢,各种光伏材料的发展都相对落后。1958年开始对太阳能光伏电池进行研究,并于1971年将光伏电池成功应用于东方红2号卫星;1973年开始太阳能光伏电池的地面应用研究;从20世纪70年代初到80年代末,由于成本高,太阳电池在地面的应用非常有限。20世纪90年代以后,随着成本的降低,太阳电池产量迅速增长,太阳电池开始向工业领域和农村电气化应用发展,市场稳步扩大,国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年,国家发改委启动了“送电到乡”项目,使得中国的光伏市场迅速增长,总装机容量从2001年的23.5Mw迅速增长到2002年的45Mw,至2003年达到55Mw。20032005年,受德国市场的巨大需求影响,国内光伏企业的产能迅速扩展,产