太阳能光伏发电设计

课程设计报告

课程名称 太阳能发电系统设计 专

业

新能源科学与工程

学生姓名 班级 学

号

完成日期

2019.06.21

盐城工学院电气学院

YanCheng Institute of Technology

太阳能发电系统设计（2019）

太阳能发电系统设计

摘要：

太阳能光伏有着极其重要的应用。它用由硅制成的光电板组件接受阳光，转换太阳能为电能并将其储存在蓄电池等储能器件中。储存的能量能够在人们需要的时候使用，并且太阳能是可再生资源，所以太阳能光伏发电是一种可代替旧能源的有效、便捷的方法。太阳能光伏发电目前具有比较成熟的技术。太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式，具有广阔的发展前景。

近年来，光伏发电系统应用的数量和规模得到了迅速的发展，光伏发电进入崭新的阶段。然而要使太阳能电池效率提高1%非常困难，但由于系统设计不当导致发电量降低10%的情况下屡见不鲜，所以必须特别重视光伏发电系统的优化设计。

太阳能发电系统控制技术中的问题，可以分为4个层次：①太阳能聚光单元的控制；

②太阳辐射估计和预测；③能量变换系统的控制；④整个过程的集成控制。通过电压电流检测电路，温度检测电路，实施对蓄电池过充过放的保护，温度补偿等的智能化控制，完成对蓄电池进行充电和放电的控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行有效地保护。

关键字：光伏发电；控制技术；系统优化

目录

1.设计框图与要求 (1)

2.光伏控制系统总体设计 (1)

3.硬件设计以及器件选型 (2)

4.软件流程图及部分程序设计 (5)

4.1控制器整体结构图及总流程图： (5)

4.2电压电流采集 (6)

4.3 单片机STC12C5410AD中AD转换流程图 (9)

4.4 PWM调制流程图 (10)

4.5显示模块LCD1602 (12)

4.6温度传感器 (13)

5. 结语 (14)

附录 (18)

附录1 电路原理图 (18)

附录2 元器件清单 (19)

1.设计框图与要求

图1-1 参考原理框图

（1）根据给定的参考原理框图和技术要求，完成整体电路的拓扑设计。

（2）相关器件的选型分析和电路参数计算。

（3）各环节的功能及要求、所用芯片的说明。

（4）具体电路图及说明、对应的软件流程图及说明和关键子程序代码。

（5）系统参数及技术要求：

控制器输入电压范围：DC15~24V；

蓄电池标称电压：DC12V；

最大负载：30W；

具有过充保护、过放保护、过流保护和温度补偿功能。

2.光伏控制系统总体设计

太阳能电池板属于光伏设备(主要部分为半导体材料)，它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的:一是为了稳定放电电流;二是为了保证蓄电池不被过放电;三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。若要使用交流用电设备，还需要在负载前加入逆变器逆变为交流。

伏电池受到光照产生电能，由单片机自带的PWM功能产生脉冲控制MOSFET的通断来给蓄电池充电，通过蓄电池两端的分压电阻测量蓄电池的端电压，由于单片机自带A/D转换功能，分压电阻端的电压可直接与单片机相连，实时监测蓄电池的电压，通过显示屏显示出来，通过蓄电池端电压的变化改变

脉冲的占空比，提高蓄电池的充电效率，当蓄电池达到充电充满时的电压后，控制MOSFET断开，停止给蓄电池充电，防止蓄电池过充。电路中通过Pt100监测当前温度，实现温度补偿功能。

蓄电池放电时，通过电压比较器判断蓄电池电压是否高于放电终止电压，若低于则MOSFET断开，蓄电池不向外放电，若高于则MOSFET导通，通过串联在负载的小电阻与差动放大电路测量蓄电池放电电流，将该电流与设定值相比较，若高于则单片机控制NM3断开，若低于则控制NM3导通允许蓄电池放电。防止蓄电池大电流放电和过度放电。

3.硬件设计以及器件选型

（硬件部分由郭泽斌同学设计，器件的选型由谢黄渭同学选取）

常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式:充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。

PWM充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。

控制器的种类很多，如何选择一款适合自己的控制器呢?控制器的选择，简单地讲，主要考虑以下2个因素:电池组的电压，太阳能电池板的功率和电流。

蓄电池组的电压，小型太阳能发电系统一般只配备一块蓄电池，电压一般是12V，这是最常用的系统，所以控制器也要选择12V的控制器。太阳能电池板的功率和最大电流最终决定了选择哪种型号的控制器。例如:你有一块100w 的太阳能电池板，工作电压是18V，工作电流是5.56A，蓄电池是12V60AH的，需要购买哪种控制器呢?建议购买12V10A 的智能控制器，10A是控制器的最大电流，一般要比太阳能板的最大电流要大一点，留有一定的冗余。如果需要添加一块同样的太阳能电池板，怎么办?那就需要将2块太阳能电池板并联输入控制器，保持系统电压的一致性(因为蓄电池是12V的，需要18V的太阳能充电电压),同时更换大电流的控制器，比如12V20A的控制器。

根据所给电路分析，光伏控制器主要由以下模块组成：单片机控制模块，电压检测模块，电流检测模块，温度补偿模块，MOS管驱动模块，LCD显示模块。

（1）单片机模块

本次设计采用自带8位A/D和4路PWM波输出的STC12C5410AD单片机，它几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，非常适合。

（2）电压检测模块

STC12C5410AD的AD模块可直接接受电压信号，但AD端输入电压一般5V左右，蓄电池输出电压位12V，因此需要加入分压电阻将电压降到AD端输

入电压。

（3）电流检测模块

电流的采集通过一个很小的电阻，测量电阻两端的压降，通过计算得到电流的值，但因为电阻值很小，产生的压降也就很小，电压值太小单片机无法测量，需要经过运算放大器放大电压信号。

（4）温度检测模块

需要测量蓄电池的温度，根据需要进行温度补偿。测量温度需要温度传感器，本次设计我采用的是Pt100温度传感器，再经运放放大信号传给AD。

（5）MOS管驱动电路

STC12C5410AD单片机自带PWM波输出端，因此只要编好程序就能驱动MOS管。

（6）LCD显示模块

为了方便的了解到蓄电池的电压、电流和温度的情况，需要一个能显示它们的模块，本设计采用LCD1602液晶显示。

其他部分器件的选型：

（1）防反二极管

为了防止蓄电池对太阳能电池板出现反充现象，在电路中需要串联防反二极管，二极管正向串联到你的电源电路输入端，二极管的正向平均电流要大于设备工作电流的1.5倍以上。反向耐压要大于设备输入电压的2倍以上，尽量选用肖特基二极管，这类二极管正向压降低（典型的约0.2V），对电路的影响低，二极管的正向平均电流要大于设备工作电流的1.5倍以上，反向耐压要大于设备输入电压的2倍以上。根据光伏板输出20V/50W，蓄电池参数12V/7Ah，防反二极管耐压值40V，电流值5A。

型号为：MBRS540 40V/5A。

（2）NMOS和PMOS

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。

NMOS型号为SI2302 20V/3A；

PMOS型号为SI2301 20V/3A。

（3）熔断器

熔断器（fuse）是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开。运用这种原理制成的一种电流保护器。

根据要求，蓄电池额定电压12V，负载最大功率30W，最大电流为2.5A，考虑一定的裕量选择2.8A。

选择BUSSMANN LP-CC-2-8/10 10*38MM 2.8A。

4.软件流程图及部分程序设计

4.1控制器整体结构图及总流程图

由于生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。软件设计总流程图如图4-1(a)所示：

图4-1(a)软件设计总流程

由单片机自带的PWM功能产生脉冲控制MOSFET的通断来给蓄电池充电，通过蓄电池两端的分压电阻测量蓄电池的端电压。实时监测蓄电池的电压，通过显示屏显示出来，通过蓄电池端电压的变化改变脉冲的占空比，提高蓄电池

的充电效率，当蓄电池达到充电充满时的电压后，控制MOSFET断开，停止给蓄电池充电，防止蓄电池过充。电路中通过Pt100监测当前温度，实现温度补偿功能。

PWM充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。

总框图如图4-1(b)所示：

图4-1(b) 总框图

4.2电压电流采集

4.2.1电压采集

蓄电池的输出电压为12V，输入电压15-24V，而单片机最大输入电压为5.5V ，需要将电压降至5V左右，因此采用电阻分压的方法采集电池电压，电阻选用1.5k与500欧计算最大电压为6V，可以满足输入要求。

均充电压：DC12V单体电池的均充电压：2.35V*6=14.1V；

浮充电压：DC12V单体电池的浮充电压：2.25V*6=13.5V；（13.2~13.62V）直充保护点电压:一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电, 但是，有个控制点，也叫保护点，当充电时蓄电池端电压高于这些保护值时，应停止直充。

均充控制点电压:直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态。因为当直充完毕之后，可能会有个别电池“落后”(端电压相对偏低)，为了将这些个别分子拉回来，使所有的电池端电压具有均匀一致性，所以就要以高电压配以适中的电流再充一小会。浮充控制点电压:一般是均充完毕后，蓄电池被静置一段时间，使其端电压自然下落，当下落至“维护电压”点时，就进入浮充状态，其实PWM 方式主要是为了稳定蓄电池端电压而设计的，通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流。蓄电池的剩余电容量(SOC)>80%时，就必须减小充电电流，以防止因过充电而过多释气(氧气、氢气和酸气)。

图4-2(a) 电压系统软件设计

过放保护终止电压:蓄电池放电不能低于这个值，需要注意的是，为了安全起见，一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3V作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正。

4.2.2电流采集

在电流通路里串联一个大功率小阻值的精密电阻，然后放大两端的电压，电阻要小一些比如0.5欧姆5W（功率最好大一些，这样发热比较少，电阻不会很烫，精度可以保证），后面运用运算放大将电压值放大以满足单片机采集要求。本设计采用OP07CP运放，经过两级放大再送到单片机AD端。D1D2做输入保护，防止电压过高。

“涓流充电”(即小电流充电)，电池电压一低就充上一点，一低就充上一点，一股一股地来，以免电池温度持续升高，这对蓄电池来说是很有好处的，因为电池内部温度对充放电的影响很大。长时间电流过大，会使蓄电池损害严重。

图4-2(b) 电流系统软件设计4.3 单片机STC12C5410AD中AD转换流程图

AD转换流程如图4-3 ：

图4-3 AD转换流程图AD转换部分程序

#include"STC12C5410AD.h"

#define uchar unsigned char

unsigned char aa,bb;

void delay(uchar dd)

{

int x,y;

for(x=dd;x>0;x--)

for(y=100;y>0;y--);

}

unsigned char Read_ADC(unsigned char adcvcc)

{ //将P1.0--P1.1设置成适合AD转换的模式ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x80; //1000,0000打开A/D转换电源delay(20); //延时20ms ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE0; //1110,0000清

ADC_FLAG,ADC_START位和低3位

ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xf8|adcvcc; //设置当前通道号delay(10); //延时使输入电压达到稳定ADC_DATA = 0; //清A/D转换结果寄存器ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x08; //0000，1000ADCS ＝1，启动转换do { ; }

while((ADC_CONTR & 0x10)==0); //0001,0000等待A/D转换结束ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7; //1110,0111清ADC_FLAG和ADC_START位，停止A/D转换

return ADC_DATA;

}

void main()

{

//里要加上设置ADC的端口,如)1.0,P1.1设为ADC口的话: P1M0 = 0x03; //0000，0011用于A/D转换的P1.x口，先设为开漏P1M1 = 0xC3;

//0000，0011P1.0-P1.1先设为开漏。断开内部上拉电阻bb=0x01;

while(1)

{

aa=Read_ADC(1);

//第一路A/D转换;如要改别的路,只要把代入通道改一下.

P3=aa; //这是让A/D的数据显示在P3口的LCD上.

}

}

4.4 PWM调制流程图

本设计采用PWM脉宽调制充电方式。PWM 具有两个主要特点:一是在处理器和被控系统之间无需进行数模转换;二是其对噪声的抵抗能力和强。因其两大主要特点，PWM被广泛应用于测量、通信领域中。PWM脉宽调制充电方式是通过微处理器的数字输出控制模拟电路的。PWM脉冲调制充电一般分为2步，先脉冲充电一段时间，再停止一段时间，然后不断地重复进行这2个步骤。

系统通过控制太阳能电池板对蓄电池的一次又一次的充电一段时间来达到将蓄电池充满的目的，在PWM脉冲调制充电过程中，系统控制对蓄电池的充电，每充一段时间就会停止一段时间，在停止的那段时间中，蓄电池内部会将通过化学反应产生的氧气和氢气重新化台，再被蓄电池吸收，PWM脉冲调制充电的目的在于减轻了蓄电池内压，为接下来的蓄电池充电做好准备，使蓄电池充电效果更好。PWM脉冲调制充电具有对蓄电池的充电进行在线监控的功能，有效的维护了蓄电池的寿命。PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。

PWM调制流程图如图4-4：

图4-4 PWM调制流程图

PWM波输出程序如下：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar code table[]={0xc0，0x80};//占空比分别为25%，50% uchar i;

void main()

{

CCON=0;//初始化PCA寄存器CL=0;

CH=0;

CMOD=0x02;//PCA时钟源来自系统时钟f/2 CCAPM0=0x42;//PCA工作在PWM模式CR=1;

while(1)

{

for(i=0;i<2;i++)

{

CCAP0H=CCAP0L=table;

while(CL!=0xff);

}

}

}

4.5显示模块LCD1602

LCD1602负责显示数据，LCD1602工作流程图如图4-5：

图4-5 LCD1602工作流程图

LCD1602初始化函数：

void LCD_Init(void)

{

LCD_Write_Com(0x38); /*显示模式设置*/

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

LCD_Write_Com(0x08); /*显示关闭*/

LCD_Write_Com(0x01); /*显示清屏*/

LCD_Write_Com(0x06); /*显示光标移动设置*/

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x0C); /*显示开及光标设置*/

}

4.6温度传感器

Pt100 就是说它的阻值在0度时为100欧姆，PT100 温度传感器。是一种以铂(Pt) 作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)。

方案一，设计一个恒流源通过Pt100热电阻，通过检测Pt100上电压的变化来换算出温度。方案二，采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。

热电阻也是最常用的一种温度传感器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，使用方便，测量范围为-200℃~650℃，完全满足要求，考虑到铂电阻的测量精确度是最高的,所以我们设计最终选择铂电阻PT100作为传感器。该方案采用热电阻PT100做为温度传感器、AD620 作为信号放大器，单片机直接作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大范围、高精度的特点。

采用DS1302时钟芯片产生时钟信号，通过单片机进行处理控制，并显示出实时的时间，可以用于对温度进行实时的数据采集。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

另外，外接一个时钟芯片DS1302产生时钟信号送入到单片机中进行处理控制，并将时间显示出来，以实现温度的实时监控。通过温度传感器采集温度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，将模拟量转化为数字量，传送给单片机控制系统，最后经过LCD1602显示温度。

PT100温度传感器框图如图4-6(a)所示：

图4-6(a) PT100温度传感器框图

测温的模拟电路是把当前PT100热电阻传感器的电阻值,转换为容易测量的电压值,经过放大器放大信号后送给A/D转换器把模拟电压转为数字信号后，单片机STC12C5410AD再根据公式换算把测量得的温度传感器的电阻值转换为温度值，并将数据送出到数码管进行显示。

如图4-6(b)为PT100作温度传感器流程图：

图4-6(b) PT100作温度传感器流程图

5.结语

本设计使用清洁的太阳能为负载进行供电，减少传统资源的使用，减轻环境污染。同时，太阳能是-种取之不尽用之不竭的可再生自然能源，且资源分布广泛，各地域均可接收到不同程度的太阳辐射。其发电形式为电子发电，无机械转动部件，无噪音，稳定性好，维护保养方式简单，维护费极为低廉。其系

统为组件式系统，安装方便，调试简单，易于进行不同程度的优化设计。在光伏发电控制系统中，太阳能充电控制器控制着整个光伏发电系统的正常运行，其性能的好坏直接影响光伏发电系统的正常工作。小型光伏发电控制器系统的设计主要包括: (1)设计以STC12C5410AD单片机作为控制系统主要控制芯片。亦可作为模数转换芯片，铅酸蓄电池为储能元件，LCD1602 负责显示数据。控制太阳能电池对蓄电池的充电，达到蓄电池保护作用。(2)在硬件设计方面，设计了单片机最小电路，充放电电路, A/D转换电路和电压显示电路。(3)在软件设计方面，确定整体系统布局，设计系统各个程序的流程图,按照自顶向下的层次完成各个程序模块的设计。

本次设计待完善的部分主要有几个方面: (1)对目前市场上各种单片机的功能进行进一步研究，寻求功能更加强大的主控芯片去代替单片机STC12C5410AD,对蓄电池进行更好的保护。(2)对蓄电池电压的采集方式精度较低，查找资料，寻求采集电压精度更准确的电路，更加准确的控制蓄电池的充电。(3)系统设计可增加数据存储电路设计方便数据的存储。

致谢

通过此次为时两周的课程设计，我对以往学习过的很多光伏发电相关的知识有了较为全面的理解。

在课程设计的过程中，零零总总也遇到了不少困难，但在张老师的悉心指导下，结合自己查阅的一-些资料，都将困难一一解决，另外还学习到了更加科学的设计方法。虽然本次课程设计仅有短短的两星期，但是在这两星期中，我对光伏系统的理解却大大加深，受益匪浅。

最后，再次感谢张老师的精心指导，感谢谢黄渭同学提供的器件选型，郭泽斌同学的硬件设计，感谢大家的帮助与指导。

参考文献

[1]刘文刚王孝洪.基于单片机的新型太阳能控制器研究[J].单片机开发与应用，2008.

[2]杨贵恒太阳能光伏发电系统及其应用[M].化学工业出版社，2014.11.

[3] 沈辉，曾祖勤太阳能光伏发电技术[M] .化学工业出版社，2005.

[4] 丁惠忠.基于STC单片机的智能太阳能充电控制器的设计[J].科技创新与应用，2011.

[5] 胡铭文，熊鸣王梦爽.基于单片机的太阳能充电器[J].中国科技纵横，2012.

[6] 张兰红，邹华单片机原理与应用[M].机械工业出版社，2017.12.

[7] 孙荣高，孙德超基于STC单片机的太阳能光伏控制器设计与实现[J]，测控技术，2009年第28卷第11期

[8]康华光模拟电子技术基础高等教育出版社，2016.

[9] 邱关源，罗先觉电路[M].高等教育出版社，2006.5.

附录

附录1 电路原理图

附录2 元器件清单