光伏应急电源系统 毕业论文.doc

目 次1 光伏应急电源概述41.1 光伏应急电源的发展背景41.2 研究目的与意义42 光伏应急电源系统52.1 光伏应急电源系统的组成52.2 光伏电池板的原理52.3 dc/dc变换器52.4 充电控制器62.5 逆变器63 系统硬件的设计与实现73.1 负载功率的计算73.2 蓄电池73.2.1 蓄电池容量的计算73.2.2 蓄电池的选择83.3 光伏电池板93.3.1光伏电池板的选择93.3.2 光伏电池板的安装103.3.3 光伏电池板的保护电路设计113.4 dc/dc变换器123.4.1电压变换电路的基本介绍123.4.2电压变换电路工作与控制133.5 充电控制器143.5.1充电控制器的构成143.5.2 单片机的选择153.5.3 电压反馈模块163.5.4 电流检测模块163.6 dc/ac逆变器173.6.1 逆变器的功率173.6.2 逆变器的电路184 软件设计204.1 系统控制方案204.2 系统控制流程图21结论22致谢23参考文献24引言随着社会的发展，如何合理解决节约能源与保障安全的问题成为人们关注的话题。民用建筑光伏应急电源依靠太阳能发电解决了电能来源问题，在市电发生故障时能够为建筑内部的消防照明灯等安全设施提供电能，可以说光伏应急电源为解决当前的节约能源与保障安给出了一个很好的处理办法。民用建筑光伏交流应急电源系统通过一些列的组件设计实现了将太阳能转变储存为人们需要的电能。系统中的控制器与逆变器是关键构件。充电控制器采用了智能化的单片机，可以大量的减少人的参与工作量。逆变器主要是使储存的电能转换成为负载所需要的交流电，使蓄电池的电能得到良好的应用。蓄电池的电压和电流的信息及时反馈给控制器后，控制器会结合设定的程序判断和决策是否给蓄电池充电，可以很好的预防蓄电池的过度充放电现象的发生，很好的维护了蓄电池的使用，间接的提高了系统的稳定性。光伏应急电源由于依靠光伏发电提供电能，解决了市电故障时不能很好的保障应急设施电能供应的问题，提高了供电的稳定性，很好的保障了消防供电的质量，保障了建筑的消防安全设施的可靠性。此外，依靠太阳能发电还极大的缓解能源问题，在实现保障供电质量保障安全的同时也实现了节约能源与环境保护。1 光伏应急电源概述1.1 光伏应急电源的发展背景 在当今社会，伴随着社会的进步，人们对于自身与社会和谐发展的意识不断提高，能源、安全与健康问题逐步受到人们的关注。当下我们所需要的能源主要还是来自于对石油、煤等化石燃料的利用，这些化石燃料随着不断地开采利用，正在迅速的减少，而且化石燃料的使用过程中还产生了大量的污染物，如产生的二氧化碳可以导致产生温室效应，产生的二氧化硫、二氧化氮等可以对人们的健康与安全产生严重威胁，这些污染物给我们的环境正带来着越来越严重的影响。然而，太阳光能的几乎无穷尽的能量储备，以及绿色无污染的特点正吸引着人们去逐步的探索光伏发电的应用。在整个社会的大发展中，能源与环境成为发展的重要课题，而在我们个人的日常生活中，健康与安全是我们永远不变的主题。随着生活的发展变化，用电器的功率在普遍增大，线路的陈旧以及生活中众多不合理的用电习惯都已经成为影响火灾的重要因素，因此，为了我们的健康与安全，我们要注重消防设施的应用，做好消防设备供电稳定可靠。正是在社会发展的大环境与我们个人发展需求的双重条件的背景下，光伏应急电源的研究在不断地发展着，并以其实用，无污染等来更好的特点正逐渐受到人们的关注。1.2 研究目的与意义民用建筑交流光伏应急电源是新能源与社会生活应用的一个良好结合。交流光伏应急电源不仅具有光伏发电的优势，也有应急电源的性能。光伏应急电源系统具有良好的社会效益和巨大的环保效益双重优势。一方面，光伏发电系统在利用太阳能的时候，不会产生污染物，也不会产生噪音， 是一种洁净的能源。另一方面，民用建筑应急电源作为电力供应不可缺少的一部分，对人民生活和工作供电的可靠性与稳定性有重要的意义。开展民用建筑交流光伏应急电源的研究符合国家的关于发展新能源的计划与方针，也符合我们科技与生活相结合，科技服务生活服务社会的主题。2 光伏应急电源系统2.1 光伏应急电源系统的组成 光伏应急电源系统通过特制的太阳能电池板利用光生伏特效应产生电能，然后通过存贮与变换装置将产生的电能供应给消防应急装置，从而为建筑内的消防安全提供电能。太阳能光伏交流应急电源主要采用了电压的变换与逆变技术，系统主要包括光伏电池模块、电压变换模块、控制器模块、蓄电池组模块、逆变器模块五部分组成，除此之外，围绕控制器设计的信息检测反馈模块也是该光伏应急电源系统的一个重要组成部分，系统的结构框如下：图2.1 光伏应急电源的系统结构2.2 光伏电池板的原理光伏电池板的工作原来主要是根据法国科学家贝克雷尔（becqurel）发现的光生伏特效应，即在太阳光照射的条件下，由于半导体材料的特殊性质，不同部位之间会产生电压差。光伏电池板正是依据光生伏特效应，利用光照下半导体材料中pn结在吸收光能的情况下，通过pn结电场的作用，在形成电子空穴对的过程中产生微弱的电流，从而将太阳能化学能与电能的转化。2.3 dc/dc变换器dc/dc变换器主要在电阻，电容，电感以及半导体开关器件组成的电路中，通过控制电路的占空比，控制电路的工作与休眠的时间，从而实现变换。本课题中采用的降压变化器除了具有变换的效果外，还应该具有可以通过单片机进行pwm控制的效果。因为dc/dc变换器的根本目的是将电压变换为适合为蓄电池充电的电压，在充电的过程中，为了使电池的损害最小，变换器应该能够具有几种不同的输出方案。2.4 充电控制器 充电控制器是光伏应急电源系统的核心，充电控制器的正常良好的运转对于系统性能的发挥有着十分重要的作用。在系统的控制模块中，单片机的作用是信息的比较处理与控制信号输出。在单片机内存储有根据蓄电池的性能特性编写的在不同情况下电路对蓄电池的充电方案，当检测的信息送入到单片机后，单片机通过对回馈来的信息转换后与存储的信息进行比较，根据比较结果按照设定的程序输出控制信号，从而控制外电路对蓄电池进行充电或停止充电。2.5 逆变器dc/ac逆变器主要由功率开关器件，半导体二极管以及电感组成，由于电感在通电的瞬间和当电流稳定后，其分别相当于开路和短路，这就造成了逆变器电路中两组中的四个相对的开关器件交替导通的情形，然而不同组的开关器件导通时输出端的电压方向不同，因此就将直流电逆变成了交流电。在本课题中采用的逆变器除了具有改变电流的性质外，还应该满足负荷的功率要求。 3 系统硬件的设计与实现3.1 负载功率的计算 本设计是以本校e区01座学生宿舍楼为研究对象，主要对其应急照明电源进行设计与研究，该研究对象为两幢楼的连体楼，其中的应急设备负荷统计如下： 表3.1 负荷统计 结合对以上对宿舍区的负荷情况的统计可得 负载总功率=7（只/层）*3（w/只）*6（层）*2（幢） =252（w）3.2 蓄电池3.2.1 蓄电池容量的计算 蓄电池容量的计算与放电深度、负荷大小等因素有关，其计算公式如下： 公式中各代表量的含义如下表 ： 由3.1可得，应急照明系统的负荷总值为252w,根据国家对应急照明灯照明时间的要求可以得出，其应急照明设备的工作时间应该不低于90分钟，结合上面的计算公式，选择放电深度为75%，选择最多的没有光的时间为3天时，可以计算出c=1872.5wh,选择12vd的铅酸蓄电池组成24v电池组可得电池组的容量为： c=c/24=1872.5/24=78.0ah 由计算可得电池组的容量可得，该光伏应急电源系统应采用2块100ah的铅酸电池串联组成所需要的蓄电池组。3.2.2 蓄电池的选择 选择伏应急电源系统的蓄电池，除了必须考虑的蓄电池的容量外，蓄电池在实际工作中的状态以及工作环境也需要进行一定的考虑，如工作环境的温度，工作过程中的放电深度，以及电池的维护与保养等情况，只有综合考虑了多方面的因素选择出来的蓄电池才可能更好的发挥其功用。 结合我们当地的环境情况，我们国家的相关的标准，和相关电池的参数信息我们可以做出做出这样的选择：武汉市蔡甸区华锐电源有限公司经过ccc认证的一款蓄电池，该电池的相关性能数据如下： 表3.2 蓄电池性能参数 从上面的数据表中，可以看出，该款蓄电池在满足系统本身对电池的容量要求的同时，其本身的特殊性能，如防水设计，电路保护结构和比较宽的工作温度范围等很好的解决了适应艰难环境的问题，因此选择这款蓄电池可以满足所研究的光伏应急电源系统的要求。3.3 光伏电池板 3.3.1光伏电池板的选择光伏电池板是光伏应急电源系统中最直接的与大自然的接触模块，因此光伏电池板在选择的过程中，除了考虑系统要求的参数性能外，其实际工作的环境情况（如狂风冰雹等恶劣天气）也要加以参考，只有将系统可能面对的各方面问题都进行了充分的研究，选择出合适的的光伏电池板。广州森阳太阳能科技有限公司的sumyok品牌的一款型号为syk100-18p光伏电池板，电池板的参数如下：表3.3 光伏电池板性能参数 从上面的表中可以看出，该太阳能电池板的性能参数能够满足系统各方面对电池板的参数要求。100w的功率虽然不算大，但是介于应急照明电源的特殊性质及其发生的极低的频率，100w的功率足以能够在再次使用的间隔期间为系统蓄电池充满电。比较宽的工作温度范围（-40+85）完全可以适应生活中极其特殊的环境的考验，从表面抗压参数可以看出在12级强风的挑战中电池板依然能够保持完好。此外该电池板采用白玻璃，在大部分的情况下都能够达到理想的透光率。3.3.2 光伏电池板的安装 光伏电池板性能的发挥除了自身的特性外，一个不可忽视的伊苏就是光伏电池板的安装。经查询数据可得当地的经纬度为东经112，北纬34，全年日照时间2400h,平均光照时间为6.57小时每天，则具体的安装角度计算与选择方案如下： (1)方位角 光伏电池板的方位角是指在太阳光照射下电池板发出最大功率是的朝向与基准的方向（正南方）之间的夹角。依据安装方位角的计算公式（方位角 （一天中负荷的峰值时刻（24小时制）12）15（经度116）可得，光伏电池板安装角的范围大致为4 41（4为偏向东方4，41为偏西方41），由于不同季节的光照时间与不同，其最大的光照强度也不相同，所以计算出的方位角不是一个确切的数值。 (2)倾斜角 光伏电池板安装的倾斜角是指在电池板安装的方向确定的情况相下，光照时电池板产生最大功率时电池板与地面之间的夹角。由于该课题研究的对象位于北半球，则依据相关的计算公式可以得到：该系统中光伏电池板的安装角度为41。3.3.3 光伏电池板的保护电路设计 由前面的设计资料可得，白天存在光照的时候，光伏应急电源系统太阳能电池板正常工作，其输出的电压为18v, 当没有太阳光照的时候太阳能电池板将不能产生电能，而单块蓄电池的开路电压为22v, 这时就会存在蓄电池向光伏电池板反充电的可能，根据只能由光伏电池板向蓄电池充电的要求，结合二极管的单向导电性 ，可以在光伏电池板与系统蓄电池之间安置一个合适的二极管来解决，电路结构图如下： 图3.1 防反冲光伏发电系统结构3.4 dc/dc变换器3.4.1电压变换电路的基本介绍 在光伏应急电源系统的设计中，电压变换电路模块主要的作用是将光伏电池板发出的电能变换电压以为蓄电池充电使用。本设计中的电压变换电路模块的电路图如下： 图3.2 dc/dc电压变换电路本设计中的电路可以将系统中太阳能光伏电池板输出的18v直流电源转换为可以直接为蓄电池充电的交流电，本设计采用的是不是简单的电压变换模块电路，而是基于lm257615芯片的具有开关功能的集成元件的扩展电路，芯片lm257615的主要特性如下表:表3.4 芯片lm2576性能参数 从芯片的主要性能表中，我们可以清晰的看出，由芯片lm257615构成的电路完全可以适应系统设计的要求。比较宽的工作温度范围（-40+125）可以应对北方四季天气的复杂变化，高效的转换效率几乎不用考虑散热问题。自身集成的保护电路在保障电路运行可靠性的同时，也简化了外围电路。此外，在外围带路中，选用选择合适的的铝电容作为旁路电容，在输入端出现瞬时间的大电压时可以进行有效的保护。3.4.2电压变换电路工作与控制 电压变换电路作为光伏应急电源系统的一部分，应该具有根据控制随时关断的特点。特课题设计的基于芯片lm257615的降压电路同样具有可以控制关断的性能，具体电路图如下：图3.4带有控制连接的降压电路 如图所示，芯片lm257615具有一个on/off管脚，该管脚可以实现对芯片的工作状态的切换，从而实现对整个电路充电与否工作的状态的变换。on/off管脚的电平与ttl电平兼容。当出现高电平信号时，芯片电路停止输出并且同时进入低功耗状态，反之，芯片正常工作。从上面所示的连接电路图中可以看出，芯片中的on/off管脚通过三极管和下拉电阻与单片机相连接，从而通过单片机通过对芯片电路的控制来实现对充电过程的控制。3.5 充电控制器3.5.1充电控制器的构成 控制器是通过以单片机为核心针对蓄电池的充电方案而设计的控，其作用相当于光伏应急电源系统的大脑。充电控制器的主要由单片机芯片，外围检测电路，输出模块构成，具体的组成结构如下图：图3.5 充电控制器结构3.5.2 单片机的选择本课题设计中需要的单片机选择的是德州仪器的一款msp430单片机，其主要性能如下表：表3.5 单片机性能参数 从上面单片机的性能参数表格中，可以看到采用msp430单片机作为充电控制的大脑，具有许多显著的特点。芯片本身集成有6路数模转换电路，在完全可以满足系统全部所需要的采样信号的输入的同时还省去了外围电路的a/d转换电路，在简化电路的同时还提高了系统的稳定性。自带保护和复位电路，防止了控制系统进入死循环，为系统的稳定可靠运行给出了保障。除此之外，芯片中具有脉宽调制输出，可以直接与外电路相连，对充电电路形成pwm控制。3.5.3 电压反馈模块 本设计中采用的电压信息的检测的电路如下：图3.6 充电控制器电压检测模块电路 该电路主要利用的是利用差动放大原理，该电路中运算放大器lm358与电阻r1、r2构成了差动放大电路，第二个lm358芯片构成电压跟随器，由于单片机的a/d接口输入输入电压为1.8v3.6v，为了防止出现瞬间过大的电压信号损坏单片机接口，在与单片机接口处设置有限幅电路。该电路的输出与输入的关系为： 由于输入的电压为24v左右，通过上面的计算公式可以选择电阻r1、r2分别为1k与10k。3.5.4 电流检测模块 本课题设计中采用的电流信息的检测模块电路如下：图3.7 充电控制器电流检测模块电路 该电路的测量原理是利用电阻电压与电流之间的关系（u=i*r），在放电回路中串联精密电阻，通过测量电阻的电压降落，依据公式便可以算的要测量的电流数值。电路中左侧的芯片lm358的作用是电压跟随，中间的lm358芯片及电阻r1、r2构成放大电路，最右侧是输出限幅电路，防止瞬间高电压对单片机造成损坏。该电路的信号输出与输入的数值关系为： 则根据单片机对输入的电压的要求，有公式可得，电阻r1、r2、r3、r4分别为100、1k、1k与9k。3.6 dc/ac逆变器3.6.1 逆变器的功率 dc/ac逆变器是光伏应急电源系统中的一个总要组成部分，逆变器性能的良好发挥对于光伏应急电源整个系统的运行的可靠性具有十分特殊的意义。逆变器除了电压是要考虑的因素外，功率也是不能忽视的考虑条件。如果逆变的功率太小，当蓄电池经过逆变器向负载提供电能的时候有可能无法使负载正常工作，或者勉强能使负载工作，但是逆变器会迅速发热，当逆变器热量积累到一定值的时候逆变器将停止工作或起火等造成系统不稳定或存在安全隐患的问题。如果逆变器的功率过大，逆变器的功率没能够理想的发挥出来，造成元件资源的无形浪费，而且增逆变器的功率还会增加元器件的购置费用，增加系统的成本，因此说，选用合适的逆变器对于光伏应急电源系统来说是十分重要的。 一般情况下，当逆变器功率的80%还不能满足负载的时候，逆变器工作的工程中会产生发热过度的现象，影响逆变器的使用寿命和性能。因此，逆变器工作的时候功率效能发挥80%可以作为选用逆变器的一个标准。通过3.1节的内容，可得负载的总功率为252w，则逆变选用功率应该为： 则课题设计中，逆变器的功率选择350w。3.6.2 逆变器的电路 本课中逆变器的作用是将蓄电池24v的直流电变换为220v的交流电，在发生火灾等需要启用应急照明设备来为应急照明设备提供电能。本课题中的逆变器是基于tl494芯片进行设计的，该逆变器在将24v直流电转变为220v的交流电的同时，可以提供的功率为350w,具体的电路图如下： 图3.8 逆变器电路本课题逆变器设计中核心是tl494芯片，该芯片是集成了脉宽调制电路，他的主要功能是用于电源的各种开关控制。除了具备固定的频率和可以实现脉宽调制外，该新芯片的一些细节特点也值得注意，内置5v的电压源可以作为基准电压，使用了tl494芯片的电路可以不用再设计误差放大器，管脚1、2可以实现将误差信号放大的功能。管脚1、2可以完成稳定电压的信息采集，电阻r1、r2起到分压的功能。逆变器死区的设定时间由电阻r6、r4和电容c2完成，这些电阻与电容连接在芯片的第4管脚上。逆变器的振荡器的频率由连接在管脚5、6的ct、rt来设定完成。由于芯片tl494中集成有脉宽调制变换电路，在调节输出电压的时候具有十分重要的作用。芯片tl494的控制开关由管脚8、管脚11和管脚12所连接的电路构成，前两者的作用是为内部驱动构成输出三极管电路，管脚12的作用是构成芯片的前端供电端，这三个管脚的电路不仅是芯片的控制端，也是整个逆变系统开通与关断的开关。针对于电路中的变压器部分，有变压器设计的计算公式 结合该课题的实际系统的符合要求以及电路中部分器件的工作特性，计算可得和，比对数据表可得设计中变压器的磁芯应选择铁氧体型号为e42b的ee行磁芯，线圈原边缠绕匝数为3，副边缠绕匝数为30。4 软件设计4.1 系统控制方案作为光伏应急电源系统的控制系统，在保障完成蓄电池正常充放电的功能时，针对蓄电池的性能特点，设置合适的充电策略是十分重要的。良好的充电方法可以极大的维护蓄电池的良好性能，对系统的良好运行有着十分重要的作用。查看蓄电池的充放电曲线，对于蓄电池的充电方法可以有如下几个充电思路：恢复性充电，在过放电状态时，如果使用大电流快速充电容易造成电解液不可恢复性的损害，严重影响蓄电池的性能和寿命。恢复性充电以间歇小电流进行充电，慢慢恢复电解液的活性，等到电池达到安全电压后可以改变充电方法加快充电的速度。快速充电，该充电方案是在蓄电池位于安全电压以上但是又不是电池饱和状态时的充电。该控制过程中采用恒定电压进行的迅速充电，该充电过程直到蓄电池达到一定的过冲状态，这样可以配合接下来的饱和充电控制使蓄电池的电量达到饱和。饱和充电，该充电控制方案是用小电流持续对电池进行补充充电，使处于过度冲电状态但不是电量饱和状态的蓄电池得以持续充电，最终达到电量饱和。 4.2 系统控制流程图图4.1 控制系统流程结论本课题研究的是光伏应急电源系统，通过设计来实现利用太阳能转换为消防应急设备电源的目的。本课题通过调查统计负荷情况，设计dc/dc变换器、智能充电控制器和dc/ac逆变器，选择合适的光伏电池板和蓄电池，并通过将这些组件按照系统的要求以及各自的特点组合起来，完成了课题目标要求的大部分内容。本课题的研究设计与实现的过程中，dc/dc变换器、智能充电控制器和dc/ac逆变器均采用的集成了基本电路的智能化较高的元件，在简化电路的同时，还提高了组件模块与系统运行的稳定性，这是本课题设计的一大特点。除此之外，在光伏电池板与蓄电池的选择过程中，在满足系统设计要求的同时还充分考虑了系统运行环境对系统相关组件的影响，这样大大增加了系统的实用性和适应复杂环境的能力。在本课题设计实现后，通过了解对比发现还存在许多不足之处：系统的基本功能实现了，但是还没有真正经过实践的检验，而且设计中考虑到的苛刻环境的影响以及长时间工作下系统的运行情况没有进行实验，所以整体系统运行的参数以及系统长时间工作的可靠性还有待进一步考究。致谢 做毕业设计的这几个月里，指导老师的引领下，在同学好友的关注中，我学到了很多知识，领悟到了许多深刻的思想。在这里我真诚的感谢那些帮助我的人。 首先，在这段时间里，让我感受最深的就是大学四年里老师的的谆谆教导。曾经看似无关紧要的知识在这段时间见里感觉却是那么的亲切那么多的重要，曾经老师们的教诲现在回想起来总能让人发自内心的深省，可以说，没有当初老师们的教育和指导，就不会有我们的今天，我一定牢记老师们的教诲，勤勉上进。 其次，在做毕业设计中，毛慧勇老师对我进行了许多的指导，带给我很大的帮助。毛老师那一丝不苟，认真仔细的治学态度让我深深感受到了大师的风范，毛老师那兢兢业业、认真负责的工作精神让我深受教育，在毛老师的指导和影响下，我的毕业设计达到了预期的目标。而且毛老师那些优秀的精神和品质也在不断影响和激励着我不断前进，再次感谢毛老师对我的指导和帮助。 最后，我要深深的感谢长期以来一直都在我身边的同学和朋友。没有他们，我不会遇到困难后仍然能够坚强的挺过来，没有他们，我不可能坚强的走出大学的风雨坎坷。是他们让我在大学里的生活