太阳能电池控制系统的设计与实现.doc

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1、3第一章 第一章1.1 简介传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。发展现状近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发

2、电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。在我国 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。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程

3、”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。 到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了

4、前所未有的投资热潮。但太阳能自身也是有缺点的，比如阴天时光电转换率只有平时的五分之一左右，因此在利用太阳能时，想得到一定的转换率就必须增大接受光的面积，然而成本就提高了，还有现有蓄电池的效率低和成本高也是阻碍太阳能发电的一大因素【1】2011年9月，在河北保定的英利绿色能源与荷兰的研究中心ESN合作，将太阳能电池板的光电转换率提升到17.4%，而一般的太阳能板的这项指标刚刚达到14%。【2】太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在此背景下，近年来

5、全球光伏产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。2009年全球太阳能电池产量为10.66吉瓦（GW），多晶硅产量为11万吨，2010年分别达到20.5GW、16万吨，组件价格则从2000年的4.5美元/瓦下降到2010年的1.7美元/瓦。“十一五”期间，我国太阳能光伏产业发展迅速，已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业。加快我国太阳能光伏产业的发展，对于实现工业转型升级、调整能源结构、发展社会经济、推进节能减排均具有重要意义。国务院发布的关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，已将太阳能光伏产业列入我国未来发展的战略性新兴产业重要领域。根据工业转型升

6、级规划(2011-2015年）、信息产业“十二五”发展规划以及电子信息制造业“十二五”发展规划的要求，在全面调研、深入研究、广泛座谈的基础上，编制太阳能光伏产业“十二五”发展规划，作为我国“十二五”光伏产业发展的指导性文件。世界常规能源供应短缺危机日益严重，化石能源的大量开发利用已成为造成自然环境污染和人类生存环境恶化的主要原因之一，寻找新兴能源已成为世界热点问题。在各种新能源中，太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点，受到世界各国的高度重视。我国光伏产业在制造水平、产业体系、技术研发等方面具有良好的发展基础，国内外市场前景总体看好，只要抓住发展机遇，加快转型升级

7、，后期必将迎来更加广阔的发展空间。从全球来看，光伏发电在价格上具备市场竞争力尚需一段时间，太阳能电池需求的近期成长动力主要来自于各国政府对光伏产业的政策扶持和价格补贴；市场的持续增长也将推动产业规模扩大和产品成本下降，进而促进光伏产业的健康发展。目前国内支持光伏应用的政策体系和促进光伏发电持续发展的长效互动机制正在建立过程中，太阳能电池产品多数出口海外市场，产业发展受金融危机和海外市场变化影响很大，对外部市场的依存度过高，不利于持续健康发展。近年来全球经济发展存在动荡形势，一些国家的新能源政策出现调整，相关补贴纷纷下调，对我国光伏产业发展有较大影响。同时，欧美等国已发生多起针对我国光伏产业的贸

8、易纠纷，类似纠纷今后仍将出现，主要原因有：一是我国太阳能电池成本优势明显，对国外产品造成压力；二是国内光伏市场尚未大规模启动，产品主要外销，可能引发倾销疑虑；三是我国相关标准体系尚不完善，存在产品质量水平参差不齐等问题。【3】 1.2实验的意义等等这些数据给我们的启示是，在现有化石燃料正逐渐减少并且污染在不断增加的大环境下，更好的利用太阳能资源是最好的办法，在刚刚发表的国民经济第十二个五年规划中也重点涉及到太阳能方向，由此可见利用好太阳能源技术对国家未来的基础设施建设有着重要的意义，但光电转换率低，所以要想更好的利用太阳能这一技术，就必须在控制电路上下功夫，如何让控制电路消耗功率最少把更多的能

9、量留给负载是关键，这也是本实验的意义之所在！ 本实验是利用三极管的工作原理来控制系统的充放电，利用三极管一个主要原因是可以尽可能低的降低控制电路消耗的功率。 实验的大致思想可以归纳为以上框图所示，白天阳光充足时，太阳能电池接受太阳光从而发电，并给充电电池充电，到晚上或阳光不充足的时候，充电电池开始通过控制系统给负载放电，当第二天早上或阳光再次充足的时候，开阳能电池开始再次发电并给充电电池充电，依次循环。13第二章第二章2.1三极管特性介绍半导体三极管又称晶体管，双极性三极管，它们是组成各种电子电路的核心器件。三极管有3个电极，基机，集电极，发射极。若将两个PN结“背靠背”地（同极区相对）连接起

10、来（用工艺的办法制成），则组成三极管。按PN结的组合方式，三极管有PNP和NPN两种类型，其结构示意图如下图1（2.1）PNP三极管 图2（2.1）NPN三极管无论是NPN型或是PNP型三极管，它们均含有3个区：发射区，基区，集电区，并相应的引出三个电极：基机（b)，集电极(c)，发射极(e)。同时，在3个区的两两交界处，形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗。三极管从尽管从结构上看，相当于两个二极管背靠背地串联在一起，但是，当我们用单独的两个二极管按上述关系串联起来时将会发现，他们并不具有放大作用。其原因是，为了使三极管实现放大，必须由三极管的内部结构和外部条件来保

11、证。从三极管的内部结构来看，应具备以下3点：第一，发射区进行重参杂，因而多数载流子电子浓度远大于基区多数载流子空穴浓度。第二，基区做的很薄，通常只有几微米到几十微米，而且是低参杂。第三，集电极面积大，以保证尽可能收集到发射区发射的电子。从外部条件来看，外加电源的极性应保证发射结处于正向偏置状态，集电极应处于反向偏执状态。在满足上述条件下，我们可以来做放大分析。2.2二极管半导体二极管是由PN结加上引线和管壳构成的，二极管的类型很多，按知道二极管的材料来分，（1）点触型二极管，它的特点是结的面积小，因而结电容小，适用于高频工作下，最高工作频率可达几百兆赫，但不能通过很大的电流，主要应用于小电流的

12、整流和检波，混频等。（2）它的特点是结的面积大，因而能通过较大的电流，但其结电容也大，只能工作在较低的频率下，可用于整流电路，（3）硅平面型二极管，它的特点是结面积大，可通过较大的电流，适用于大功率整流，结面积小，结电容小，适用于脉冲数字电路中作开关管。发光二极管（LED)简介：它是一种将电能转换为光能的半导体器件，主要有三五族化合物半导体如砷化镓(GaAs)，磷化镓(Gap)制成，它由一个PN结组成，当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少数载流子复合，复合过程中，有一部分以光子的形式放出，使二极管发光，发出的光波可以是红外光或可见光，砷化镓是发射红外光，如果在砷化镓中惨入一些磷

13、即可红色可见光，而磷化镓可发出绿光。发光二极管常用作显示器件，如指示灯，七段数码管，矩阵显示器等，工作时加正向电压，并接入限流电阻，工作电流一般为几至几十毫安。电流越大，发出的光越强，但是会出现亮度衰退的老化现象，使用寿命将缩短。发光二极管导通时的管压降为1.8至2.2V。【4】2.3镍氢电池镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物，图1（2.3）镍氢电池当快速充电时，可以透过充电器内的微电脑去避免电池过充的情况产生。现今的镍

14、氢 图2（2.3）电池含有一种催化剂，可以及时的解除因为过充所造成的危险。2H2 + O2 -催化剂- 2H2O 但是这个反应只有从过充开始的时间算起的 C 10 小时内有效（C = 电池标示的容量）。当充电程序开始后，电池的温度会上升的很明显，有些急速充电器（低于1小时）内含风扇来避免电池过热。 有的厂商认为：使用一些简单的恒流（且电流要小）充电器，不管有没有计时器，都可以安全地为镍氢电池充电，允许的长时间充电电流为 C/10h （电池的标称电量除以10小时）。实际上，一些造价低廉的无线电话基地台和最便宜的电池充电器正是这样工作的。尽管这可能是安全的，但对电池的寿命可能会有不良影响。根据松下

15、公司（Panasonic）的镍氢电池充电指南（链接在页面底部），长期使用涓流方式（以很小的电流长时间充电）充电有可能导致电池损坏；为了防止损伤电池，涓流充电的电流应限制在 0.033C每小时 到 0.05C每小时 之间，最长充电时间为20小时。 对于镍氢电池的长期保养来说，使用低频脉冲-大电流的的充电方式要比使用涓流充电方式更能保持好电池状态。新买回来的，或者是长时间未使用的镍氢电池，需要一段“激活”时间来回复电池电量。因此，一些新的镍氢电池需要经过几次充电-放电循环才能达到它们的标称电量。在电池的使用过程中，也必须小心。对于串联在一起的几颗电池（比如数码相机中4颗AA电池的通常排列方式），要

16、避免电池完全耗尽电能，进而发生“反向充电”（Reverse charging）。这会对电池产生不 图3（2.3）充电器可挽回的损害。不过，通常这些设备（比如之前提到的数码相机）能够检测串联电池的放电电压，当它下降到一定程度时，便自动关闭，以保护电池。单颗电池并不会有以上的危险，只会一直放电，直到电压为0。这不会对电池造成损害，实际上，周期性地将电放完然后再充满有利于保持电池的容量与质量。 镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%或更多。这要比镍镉电池每月20%的自放电速率高。电池充得越满，自放电速率就越高；当电量下降到一定程度时，自放电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分

17、大的影响。正因如此，长时间不用的镍氢电池最好是充到40%的“半满”状态。低自放电效应的镍氢电池在2005年推出市面，生产商宣称在20室温存放一年后仍可保存70至85%电量，而且可以以一般的镍氢电池充电机进行充电。某些低自放电效应的镍氢电池在低温下有比碱性电池及锂离子电池更佳的放电特性。不同型号(特别是不同体积)的电池,他的容量越高,提供使用的时间越长.抛开体积和重量 图4（2.3）镍氢电池的因素,当然容量越高越好. 但是同样的电池型号,标称容量(比如600mAh)也相同,实际测的初始容量不同:比如一个为660mAh,另一个是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好吗. 实际情况可能

18、是容量高的是因为电极材料中多了增加初始容量的材料,而减少了电极稳定用的材料,其结果就是循环使用几十次以后,容量高的电池迅速容量衰竭,而容量低的电池却依然坚挺.许多国内的电芯厂家往往以这个方式来获得高容量的电池.而用户使用半年以后待机时间却是差得一塌糊涂. 民用的那些AA镍氢电池(就是五号电池),一般是1400mAh,却也有标超高容量的(1600mAh),道理也是一样. 提高容量的代价就是牺牲循环寿命,厂家不在电池材料的改性上下文章,是不可能真正提高电池容量的. 电池材料比表面积研究是非常重要的，电池材料比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，国内目前有很多仪器只能做直接

19、对比法的检测，现在国内也被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法，国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的，请参看中国国家标准（GB/T 19587-2004）-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力的不同，有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神就会导致测试过程的失败，这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重

20、要的F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。2.4太阳能电池板太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体PN结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。太

21、阳能电池的分类简介太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、V族（GaAs,InP等）、族（Cds系）和磷化锌 (Zn 3 p 2 ）等。 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 （1）硅太阳能电池硅太阳能电池

22、分为单晶硅太阳能电池、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会 图1（2.4）国际空间站太阳能电池板在太阳能电地市场上占

23、据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 （2）多晶体薄膜电池多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及

24、较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。 铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。 （3）有机聚合物太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以

25、有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （4）纳米晶太阳能电池纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到20年以上。 此类电池的研究和开发刚刚起步，不久的将来会逐步走上市场。 （5）有机薄膜太阳能电池有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下

26、的不到5%也是由其它无机材料制成的。 （6）染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料太阳能电池塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但目前塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。目前市场

27、上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下，也就是说，这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能，其余的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说，现今太阳电池，也是某种型式的“浪费能源”。当然理论上，只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换，换言之，有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放，就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生，大幅地提高太阳电池的效率，甚至达到超高效率的运作。而这样简易的理论构想，在实际的技术上，却可以用不同的方法来执行这样的原则。超高效率的太阳电池（第三代太阳电池）的技术发展，除了运用新颖的元件结构设计，来尝试突破其物理限制外，也有可能因为新材料

28、的引进，而达成大幅增加转换效率的目的。薄膜太阳电池 包括非晶硅太阳能电池，CdTe 和 CIGS（copper indium gallium selenide）电池。虽然目前多数量产薄膜太阳电池转换效率仍无法与晶硅太阳电池抗衡，但是其低制造成本仍然使其在市场有一席之地，且未来市场占有率仍会持续成长。 2.5LED简介LED英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED（Light Emitting Diode），发光二极管，主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所

29、组成。LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明 图1（2.5）LED灯泡以及灯具图片显，寿命长、光效高、低辐射与低功耗。白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而

30、直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。然而，LED灯的工作原理使得在大功率LED照明行业里散热问题变得非常突出，许多LED照明方案不够重视散热，或者是技术水平有限，所以目前量产的大功率LED灯普遍存在实际使用寿命远远不如理论值，性价比低于传统灯具的尴尬情况。为了提高LED灯具的使用寿命，真正做到适合商业化的量产，LED照明行业正在独立或者和专业的导热材料供应商合作加紧研制新型导热材料，比如导热塑料等等。大功率LED，一般指大于0.65W，这一点不同公司内部也会有不同的标准，因为目前在大功率LED领域还没有

31、形成大家一致认可的行业标准。光强与流明比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率大多是单颗应用，加上有效散热面积很大的散热片，也出现了集成在一起的LED灯矩阵，但是散热效果不是很好。小功率一般是0.06W左右的。现在LED手电一般是用小功率用的，光散不散，取决于LED的发光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。市面上的手电筒一般是用草帽头做的。效果很好。现在就担心有些厂家不重质量，拿的次品LED做电筒，用不了多久就有死灯。LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高,没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的,如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的

32、亮度都差不多的,只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片.如果是5MM的LED180度角的白光的发光强度只有几百MCD,如果是15度角的光强就要去到一万多两万MCD的了,光强相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着 图2（2.5）LED灯株在一个支架上，是负极，另一端

33、连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。 图3（2.5）贴片LEDLED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击

34、穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。一般最常见的LED工作功率都是设定于30至60毫瓦电能以下。在1999年开始引入了可以在1瓦电力输入下连续使用的商业品级LED。这些LED都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题，而那半导体芯片都是固定在金属铁片上，以助散热。在2002年，在市场上开始有5瓦的LED的出现，而其效率大约是每瓦18至22流明。【5】17第三章第三章3.1实验的基本思想本实验的大致思想如图图1（3.1） 3.2工作原理图1（3.2）它是由太阳能电

35、池GE、充电电池GB以及控制电路和红色的LED闪光二极管组成。太阳能电池GE白天将太阳的光能转换为电能，通过二极管VD1对镍氢充电电池充电。该灯的控 制电路是由两种不同性质的三极管VT1(PNP型)和VT2(NPN型)组成一组互补型的开关电路，以及开关二极管VD2、VD3和电阻R组成的光控触发电路。由于白天时太阳能电池的两极有电压，由开关二极管VD2、VD3和电阻R组成的触发电路，将电压施加在三极管VT1的基极上，使其处于截止状态，因而开关管VT2也不导通，LED发光管不工作。当夜晚来临或光线较弱时，由于太阳能电池两端的电压大幅度下降或消失，VT1的基极失去触发电压便开使导通，转而促使VT2也

36、同时导通，于是红色LED发光二极管VD4被点亮。当第二天天亮时，由于太阳能电池的两极输出电压，于是三极管VT1又转为截止，使开关管VT2不导通，LED发光管由此关闭。【6】将VD1 1N5817换成一个发光二极管LED，一，可以通过观察LED的亮暗与否来判断太阳能电池板是否对充电电池进行充电，二，LED本身也是个二极管，当开关闭合充电电池开始放电时，它可以阻止电流流向太阳能电池板。3.3所用材料简介1 太阳能电池板GE：GE是由12片面积分别为7mm105mm单晶硅片串联所组成的电池组，贴附在一块115mm115mm的环氧基板上(图2)，并在表面封涂上一层多酚树脂加以保护，在板的背面 引出电池

37、的电极。太阳能电池的功率参数为：开路电压6.8V、短路电流180mA、最大功率1.2W，其光电转换效率约13、最大输出功率为0.85W。2 充电电池GB :电路电源所用的充电电池选用电压为1.2V、容量为1.3Ah的镍氢电池共三节 3 三极管9012和9013（VT1和VT2)：VT1 9012是非常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广,它是PNP型小功率三极管。集电极-基电压 -40V，射极-基极电压 -5V，集电极电流 0.5A，耗散功率 0.625W，结温150，特怔频率最小150MHZ 。VT2 9013是非常见的晶体三极管 结构：NPN，集电极-发射极电

38、压 25V，集电极-基电压 45V，射极-基极电压 5V，集电极电流0.5A，耗散功率 0.625W，结温150，特怔频率 最小 150MHZ。4 VD2和VD3（1N4148）：IN4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离,通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路中常用它。5 VD4发光二级管（LED）：发光管使用的是一支内部固化有闪光电路的超高亮度的红色LED闪光二极管，其工作电压2V、工作电流2030mA、闪光频率为1Hz左右。3.4multisim仿真简介 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真

39、工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程，NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和

40、验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3.5multisim仿真电路图1（3.5）开关闭合时仿真电路图。图2（3.5）开关打开时仿真电路当阳光照射太阳能电池板时（开关断开），板子两端产生电压，所以LED1回路导通，LED1亮，太阳能电池板给充电电池充电，当充电结束后（开关闭合），LED

41、1灭与此同时LED2回路导通，LED2亮，表明充电电池正在给LED2回路放电25第四章第四章4.1对比试验太阳能发电控制系统传感器结构：该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。图1（4.1） 传感器结构示意图立柱转动式跟踪器跟踪器的结构见图2。步进电机1

42、固定在底座上，主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动)，转动架以及支架固定安装在主轴上，光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动)，步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上。图2(4.1) 立柱转动式跟踪器示意图当光线发生偏移，控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动，通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪2。MPPT控制器光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线，中间的某个电压值取得

43、最大功率)，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。如：在日照强度为1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪 3。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。图3 (4.1)MPPT控制实现示意图扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，

44、光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动，反之，当太阳能光电板输出功率减少时，表示扰动方向错误，下一周期朝反向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。系统硬件设计系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位，它主要对主回路进行控制，保证 MPPT 算法有效实现，使 DC/DC 变换保持恒压输出，且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪，使得蓄电池的充电可以得到最大功率的

45、恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次，主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示。图4(4.1)系统结构框图驱动电路光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻：5-10 K ，暗电阻：200K 以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3，R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集，将所采集的模拟量转化为数字量，判断方位角和俯仰角的变化，并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲，控制步进电机转向正确的方向，然后继续进行A/D采集和控制，直到信号差在一定范围之内，此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6。

46、图5 (4.1)光敏电阻采集电路图6(4.1)步进电机驱动电路步进电机57BYG007，GSP-24RW-046，皆为四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高电平，ULN2803(步进电机驱动芯片，集电极输出)的1脚到4脚依次为高电平，这样就给步进电机1(57BYG007)正转一步的脉冲信号，步进电机正转1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高电平，步进电机反转1.8度，GSP-24RW-046驱动原理与之相同。DC/DC、MPPT电路系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V，工作电流1A左右，所采用的蓄电池为12V-7AH，由于 12V的蓄电池一般需要

47、13-15V的电压为之充电，而光伏电池如果不经过DC/DC处理，无法保证为蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压，此处可以为将来系统升级做准备)，然后降压到14V为蓄电池稳压充电5，电路图如图7所示。图7 (4.1)DC/DC及MPPT电路图7电路左端为光伏电池，右端输出电压为Uo(图7的Uo为图8的Uin)，我们需要得到右端Uo=20V。首先通过并联50K、10K电阻组成的电路，并对10K电阻两端A/D采集，采集电压Uad1，间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1;Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(

48、Q1的占空比),输出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控制，不是简单的控制Q1。通过R5、R6组成的电路采集R6两端电压Uad2，间接得到Uo=6 Uad2，将Uo与20V比较，即时调整实际的D，使得D=D-D或D=D+D(D取PMW脉冲周期的5%)，然后延时、采集、判断，直到得到精确的占空比D，能够准确输出电压Uo=20V。在输出电压基本稳定的基础上，设置Q4的PWM2，改变R7扰动电阻的占空比，来改变输出电流，通过对R8两端电压的A/D采集，采集电压Uad3，得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=UinI(因为电路是电流连续工作，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，C1电流可忽略，甚至电容C1可除去，且光伏电池左端的采集电阻相当大，电流极小，亦可忽略)，改变光伏电池即时输出实际功率，来实现MPPT。蓄电池充放电控制电路白天，光伏电池需要为蓄电池充电，以便蓄电池能够晚间对负载(路灯)供