太阳能光伏发电系统设计毕业设计

摘要
摘要
众做周知，追求低碳发展已经成为各国的一项重要的政策。

太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越受到全世界各国的重视，在各国政府的大力支持下，全世界太阳能光伏产业得到了快速发展，因此本设计是基于太阳能独立发电系统进行了研究，主要研究的是光伏发电系统中的最大功率点跟踪（MPPT）技术，并且研究了基于MC9S12XS128为CPU的新型控制器，对电路参数进行了设计调试，完成了系统的硬件软件设计。

关键词：太阳能可再生能源最大功率点追踪 MC9S12XS128；
Abstract
Abstract
As you know ,the pursuit of low carbon development has become one of the important policies of every countries.Solar energy as a clean renewable energy has attracted world attention, in the strong support of governments, the world solar photovoltaic industry has developed rapidly, so the design is based on solar independent power system , the main research is the photovoltaic maximum power point tracking (MPPT) technology, and based on MC9S12XS128 is a new CPU controller, the circuit parameters are designed and debugging, completed the hardware and software design of the system.
Keywords：Solar energy renewable energy maximum power point tracking MC9S12XS128；
绪论
第一章绪论
1.1 太阳能光伏发电背景以及本设计的意义
随着当今世界能源短缺以及化境污染问题的日益严重，可再生能源的发展引起了越来越高的重视，因此风能、核能、地热能、潮汐能以及太阳能等新能源的发展也成为了当今世界能源发展的重要利用对象。

太阳能的发展成为了未来主流能源的发展方向之一，各国以及各地区都加大了对太阳能发展的投入。

太阳能能够成为当今世界主流能源的发展方向是因为其清洁环保，无任何污染，利用价值高。

众做周知，追求低碳发展已经成为各国的一项重要的政策。

太阳能作为一种清洁的可再生能源越来越受到全世界各国的重视，在各国政府的大力支持下，全世界太阳能光伏产业得到了快速发展，因此本设计是基于太阳能独立发电系统进行了研究，主要研究的是光伏发电系统中的最大功率点跟踪（MPPT）技术，并且研究了基于MC9S12XS128为CPU的新型控制器，对电路参数进行了设计调试，完成了系统的硬件软件设计。

1.2 国外太阳能光伏发电现状
太阳能是一种快速增长的能源形式，因此当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。

20世纪80年代以来，即使是在世界经济总量处于衰退和低谷时期，太阳能光伏发电产业也一直是以10%-15%的增速持续发展。

90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。

按照规划，2010年全球光伏装机总容量达到28GW，是2008年以前装机总容量的10.95倍；2030年全球总装机容量将达到1850GW。

这种增长势头在很大程度上要归功于全球快速增加的市场需求、日益提高的上网电价和各种政府鼓励措施[1]。

在世界的一些而主要国家中，尤其是德国、意大利、西班牙、美国、法国，联邦政府、州政府和地方政府机构纷纷以退税、税收抵免和其他激励措施的形式向太阳能产品的最终用户、经销商、系统集成商和制造商提供补贴和经济鼓励，以促进太阳能在并网应用中的使用，降低对其他能源的依赖，然而拥有巨大政治游说能力的传统公共电力企业也可能试图改变所在市场的相关立法，这也可能对太阳能的发展和商业应用造成相对不利的影响。

但总体来说，由于全球许多石油和天然气生产地区政治和经济局势的不稳定性，多国政府都在采取积极措施，以减少对国外能源的依赖。

太阳能提供了一种极具吸引力的发电方案，而且不会对国外能源形成严重的依赖性。

除此之外，日益突出的环境问题和
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与矿物燃料发电相关的气候变化风险形成政治动因，促使政府实施旨在减少二氧化碳及其他气体排放量的温室气体减排战略。

太阳能及其他可再生能源有助于这些环境问题的解决。

日本早在1994年就出台了“朝日七年计划”，并且在1997年又出台了“七万屋顶计划”，规定每个新安装的光伏发电系统可以获得50%的安装成本补贴，日本政府在近些年又发布了光伏产业的新政策，投资200亿元用于鼓励光伏发电的应用。

德国在2000年颁布了《可再生能源电力供应法》，规定电力公司收购光伏并网电力，并且逐年下调用户光伏电价，其中2008年的收购价为40欧分/千瓦时，并且在2011年出台新规定要求光伏电价在现有的基础上面每年下调90%。

美国早在克林顿政府时期就提出了“百万屋顶计划”，奥巴马政府也积极推进新能源政策，将在未来10年内耗资1500亿美元以刺激私人投资清洁能源。

2011年2月通过了“复兴和在投资”法案，对包括光伏在内的新能源产业给予贷款扶持和税收减免政策。

荷兰拥有世界上面最大的太阳能社区，改成是位于荷兰中部城市阿姆斯弗特附近，建有600多座房屋及几十栋附属建筑，有600多户居民在此定居，该社区的房屋屋顶上面大部分安装有太阳能光板，晴天时候太阳能光板采集的电能都统一并入到当地的电网，小区的用电基本都保持自给自足。

1.3 我国太阳能光伏发电的现状与前景
中国太阳能光伏资源丰富，取之不尽用之不竭，成为了传统不可再生能源的良好替代品。

因此无论从能源安全的长远战略角度触发还是从调整优化能源能源结构的需求出发，大力发展光伏发电都是我国能源安全的重要措施之一，为此国家相继出台了与光伏发电相关的政策，鼓励光伏发电的平稳快速发展。

我国太阳能资源丰富，理论储量达年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发和利用的前景十分广阔。

我国光伏发电产业于20 世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期，太阳能电池及组件产量逐年稳步增长，经过30年的努力，已迎来了快速发展时的新阶段。

在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏发电市场的有力拉动下，尤其是《可再生能源中长期发展规划》以及“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”的出台，我国太阳能光伏发电产业获得迅猛发展：2007年我国的太阳能电池产量超过欧洲和日本成为世界第一；2008年全球太阳能电池产量约7GW，同年我国的太阳能电池产量约2.6GW；2009年全球太阳能电池产量约为10GW，而同年我国产量超过4GW；2009年我国太阳能市场安装容量为228MW年增长率高达552%。

在我国政府对新能源产业发展的大力推动下，2020年我国的光伏产业规模将达到20GW[2]。

绪论
1.4 本设计的内容
主要内容：
（1）具有最高电压跟踪功能，相对偏差的绝对值不大于1%。

（2）具有频率跟踪功能，相对偏差绝对值不大于1%。

（3）DC-AC变换器的效率≥60%，输出电压失真度THD≤5%。

（4）具有输入欠压保护功能，具有输出过流保护功能。

（5）分析总结太阳能电池板的电压电流输出特性以及蓄电池的充电过程研究确定具有最大功率点跟踪的充电方法，此方法可以更好地利用太阳能电池板来转换电能并且有效的延长蓄电池的使用寿命。

（6）实现具有最大功率点跟踪的C语言编程。

（7）画图并且制作硬件电路。

（8）调试系统使其工作正常。

（9）基于MC9S12XS128控制系统的实现方法同时完成相关控制系统的设计。

本章小结
本章主要就太阳能光伏发电系统在全世界的应用现状以及前景做了相关简介，描述了太阳能光伏发电系统的广泛应用背景，为本设计的开展提供了一个有力的支持。

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太阳能光伏发电系统的原理以及组成
第二章太阳能光伏发电系统的原理以及组成
2.1 太阳能光伏发电的系统分类以及组成
太阳能光伏发电系统主要分为离网发电系统，并网发电系统，以及分布式发电系统。

2.1.1 离网发电系统
离网发电系统主要由太阳能电池组件，蓄电池，控制器组成，如果输出的是220V 或者380V的交流电则还需要逆变器。

图2-1 离网发电系统的结构图
2.1.2 并网发电系统
并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。

并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电，但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展，而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点已经成为并网发电的主流。

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图2-2 并网发电系统的结构图
2.1.3 分布式发电系统
又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。

其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节[3]。

本设计采用的是基于离网发电系统的方式下进行的太阳能发电系统的研究。

2.2 本设计采用的系统结构图以及工作原理
本设计采用的是离网方式下太阳能发电系统的研究同时系统还进行了逆变的的处理。

太阳能光伏发电系统的原理以及组成
图2-3 系统设计结构图
2.2.1 本系统主要有由几个部分组成以及各部分的作用
太阳能光伏阵列、BOOST变换器、蓄电池、逆变器、驱动、采集电路、辅助电源以及控制器MC9S12XS128组成。

太阳能光伏阵列的作用是：将照射到光伏阵列表面的太阳能转换为电能共给整个系统。

蓄电池的作用是：储存太阳能转换成的电能并且在没有阳光或者阳光不足的情况下照射的情况下给负载供电。

逆变器的作用是：由于太阳能光伏阵列送过来的是直流电，同时蓄电池储存释放的也是直流电因此当系统需要交流电源的时候，就需要逆变器将直流电源转换为交流电源。

BOOST电路的作用是：提升太阳能光伏阵列送过来的电压，达到给蓄电池充电的电压。

控制器的作用：控制器是整个太阳能光伏发电的核心部件，决定着整个系统的运行工作状态，同时能够反映实时工作信息进行相关保护控制[4]。

2.2.2 本系统工作原理
该系统的工作原理是太阳能光伏电池板经过日照之后输出电压经过升压变换器给蓄电池供电，然后经过逆变电路变换成交流电。

与此同时采集电路采集实时电压电流信息，送给控制器进行闭环控制实现稳定的输出以及相关保护的实现比如过电压，过电流
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的保护。

辅助电源是为了给给系统的各个模块进行供电，其中主控模块需要的是+5V电压，采集电路的传感器需要的是+-15V电压，光耦驱动需要的是+24V电压。

2.3 太阳能光伏发电原理
2.3.1 太阳能光伏电池种类
目前，可以生产太阳能光伏电池的材料有多种，制造的方法也各有差异，所以太阳能光伏电池的种类很多，据统计，迄今为止已有100多种。

太阳能光伏电池虽有这么多种，但可以按所用的材料或电池的构造来分类。

按照所用材料分类：
主要可分为化合物太阳能光伏电池和硅太阳能光伏电池两大类。

硅太阳能光伏电池还可分为晶体硅太阳能光伏电池和非晶体硅太阳能光伏电池两种。

晶体硅太阳能光伏电池还可再分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池。

多晶硅太阳能光伏电池可分为铸造多晶硅太阳能光伏电池、带状多晶硅太阳能光伏电池和薄膜状多晶硅太阳能光伏电池。

按照电池的构造来分类：
大体可分为块(片)状或薄膜状两种太阳能光伏电池。

块(片)状太阳能光伏电池又可分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池以及其他块(片)状太阳能光伏电池。

薄膜状太阳能光伏电池又可分为非晶硅太阳能光伏电池、化合物太阳能光伏电池。

2.3.2 太阳能光伏发电基本原理
太阳能光伏发电的历史进程：
早在1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。

这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”[5]。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

太阳能光伏发电的原理：
太阳能光伏电池的基本结构式一个半导体PN结，而太阳能光伏发电的理论依据则是基于半导体PN结的光生伏打效应。

（1）P型半导体形成的原理
掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。

这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质，这类物质就是P型半导体。

（2）N型半导体形成的原理
太阳能光伏发电系统的原理以及组成
掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子，这一类物质称为N型半导体。

（3）PN结形成的原理
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P 型半导体，那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。

这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

于是，有一些电子要从N型区向P 型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。

它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。

半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。

这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区。

在出现了空间电荷区以后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区就形成了一个内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。

显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。

从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。

因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。

PN结的内电场方向由N区指向P区。

在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

（4）光生伏特效应的原理
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。

如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。

通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。

界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

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2.3.3 太阳能光伏电池的数学模型和工作特性
图2-3太阳能光伏电池的等效电路
工作原理：
当光照在电池板上面的时候，由于光生伏特效应产生了电流，当光照比较稳定的时候，可以将产生的电流看成是一个恒流源如图所示IL ，当电流流过负载的时候产生了一个电压降V ，这个电压降反过来作用于光伏电池的PN 结上面使PN 结正向偏置，产生了一个漏电流Id 流过二极管，这个电流与光电流IL 方向相反，串联的电阻Rs 包括光伏电池板前后表面的金属电极电阻，半导体材料本身的电阻率，金属电极与半导体材料的接触电阻，这三者的数值一般比较小，一般在0.001欧姆到几欧姆之间。

引入的电阻Rsh 形成的原因是光伏半导体边缘不够清洁或者内部材料存在细小的裂痕这样会导致漏电使得本来会流过负载的光生电流被短路掉。

电阻Rsh 一般在1K 欧姆左右，一般称之为旁漏电阻。

由上述等效电路可得光伏电池的工作特性方程为：
sh d L I I I I --= （2-1）
其中：I 为光电池的输出电流
Id 为流过二极管的电流
Ish 为流过引入的并联电阻Rsh 的电流。

其中又有：
)1(exp *0-=AkT
qV I Id d （2-2） I0：光伏电池内部二极管反向饱和电流，他与该电池材料自身特性有关，一般为常数，不受光照的影响。

Vd ：等效二极管的端电压，V
Q ：电荷量，C 1910*6.1-
k ：玻尔兹曼常数，K J /10*38.123-
太阳能光伏发电系统的原理以及组成 T ：据对温度，K
A ：PN 结的理想因子，当T=300K 的时候，A=2.8；
因此综合上述公式可以得出，太阳能光伏电池的输出伏安特性为：
sh
s s o L R I R V AkT I R V q I I I +-+-=}1])({ex p[ （2-3） 正常光照条件下，光伏电池的输出功率曲线是以最大功率点为极值的单峰值曲线，因此上述公式能够较为精确的描述其工作特性。

2.3.4 太阳能光伏整列的形成原理
由于单个的太阳能电池输出的电压电流功率都较小，一般情况下输出的电压只有0.5V 左右，功率在1-2W ，因此在实际中会采用许多的单体太阳能光伏电池来串、并联组合用以达到所需要的电压和电流值。

假设每一个太阳能电池的特性是一样的，将多个单体太阳能光伏电池进行并联可以使得输出电压线性的增长，将多个太阳能电池单体并联的时候可以使得输出电流线性的增长，将多个单体电池串并联混合使用的时候，可以使得太阳能电池板的电压电流均得到增加。

2.3.5 太阳能光伏电池的输出特性
由公式（2-3）以及上面的理论分析可知，一般光伏电池，串联电阻Rs 很小，并联电阻Rsh 很大，由于Rs 和Rsh 是分别串并联在电路中，因此在进行理想电路计算的时候可以忽略不计，因此可以得到代表理想光伏电池的输出特性方程为：
)1(--=AkT qv
o L e I I I （2-4）
因此有：
)1ln(+-=o
L I I I q AkT V （2-5） 上述输出特性方程虽然忽略了Rs 和Rsh 的作用于真实的光伏电池产生了微小的偏差，但是从本质上面仍然可以反应输出特性与光照和温度之间的关系。

IL-UL 的关系代表了光伏电池的外特性曲线即输出特性曲线是光伏发电系统设计的重要基础，同时影响光伏发电系统的输出特性的两个重要参数是光照和温度。

图2-4 当保持光伏温度不变的时候输出特性曲线I-V 曲线族
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图2-5 当保持光伏温度不变的时候输出特性曲线P-V曲线族
图2-6 保持光伏光照不变的时候输出特性曲线I-V曲线族
图2-7 保持光伏光照不变的时候输出特性曲线P-V曲线族从上述两种情况下的输出特性曲线图可以看出，光伏电池其实是一个非线性的直流电源，光伏阵列提供的功率取决于阳光提供的能量，不可能为负载提供无限大的功率。

当光伏电池的电压上升的时候，负载的电压也从0开始增加，电池输出的功率也从0开始增加，当电压达到一定值的时候功率可达到最大，当阻值继续增加的时候，功率将越过最最大点，并且逐渐减小为0，即电阻无限大的时候达到系统的开路电压。

光伏电池
太阳能光伏发电系统的原理以及组成
达输出的功率达到最大的点称之为最大功率点，该点对应的电压称之为最大功率点电压Um ，该点对应的电流，称之为最大功率点电流Im ，该点的功率称之为最大功率Pm 。

2.4 铅蓄电池的工作原理
经过长期的实践证明，“双极硫酸盐化理论”是最能够说明铅蓄电池工作原理的学说，该理论可以简单描述为：铅蓄电池在放电的时候，正负极的活性物质均变成硫酸铅（4PbSO ），充电后又恢复到最初的状态，即正极转变成二氧化铅2PbO ，负极转变为海绵状的铅（Pb ）。

2.4.1 充电过程
当铅蓄电池接上负载的时候，外电路便有电流流过，下式表明了放电过程发生的电化学反应：
（1） 负极反应：
424
2PbSO SO e Pb −→−+-- （2） 正极反应
O H PbSO SO H e PbO 2424
242+−→−+++-+ （3） 电池反应
4242422PbSO O H PbSO PbO SO H Pb ++−→−
++ 负极 电解液 正极 负极 电解液 正极
从上述电池反应可以看出，铅蓄电池在放电过程中两极均生成了硫酸铅，随着放电的不断进行，硫酸被不断消耗，同时生成了水，使得电解液的浓度逐渐降低，因此电解液的浓度的高低反映了铅蓄电池的放电程度。

2.4.2 放电过程
当铅蓄电池接上充电器的时候，外电路接通充电电流流过，下式表示了充电过程中两极发生的电化学反应：
（1） 负极反应：
-+−→−+2442SO Pb e PbSO
（2） 正极反应
-+++−→−+-24224422SO H PbO O H e PbSO
（3） 电池反应
24242422PbO SO H Pb PbSO O H PbSO ++−→−++
负极 电解液 正极 负极 电解液 正极
从上述反应可以看出铅蓄电池的充电反应恰好是其放电反应的逆过程，即充电后极板上面的活性物质和电解液的浓度都恢复到原来的状态，所以，在充电过程中，电解液。