張曉偉

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南許昌461000）

隨著全球氣候變暖，不可再生能源逐漸減少，環(huán)境污染問題引起了全球的關(guān)注。光伏發(fā)電作為新興可再生能源，因其綠色、干凈、無(wú)污染、可再生、價(jià)格低、利用方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，已得到全世界的重視。

1 我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)輻射到地球表面的能量可達(dá)到80萬(wàn)kw/s，假如能把太陽(yáng)照射到地球表面10‰的能量轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)變率為5%，那么，一年的光伏發(fā)電量就能達(dá)到5.6×1011kw·h，是目前全球能耗的4 倍［2］。緯度不同，太陽(yáng)能光板設(shè)置的仰角也會(huì)不同，不同緯度地區(qū)太陽(yáng)能光板的仰角取值參考見表1［3］。

我國(guó)的地理位置獨(dú)特，全年日照資源豐富，《2017～2022 年中國(guó)光伏發(fā)電市場(chǎng)行情動(dòng)態(tài)及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，我國(guó)屬于太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家，全國(guó)有2/3 以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h，年輻射量在5 000 MJ/m2以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，中國(guó)陸地面積每年接收的太陽(yáng)輻射總量為3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當(dāng)于2.4×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤的儲(chǔ)量。因此，在我國(guó)發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景非常廣闊。

表1 不同緯度地區(qū)太陽(yáng)能光板的仰角取值

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic Power Generating System，簡(jiǎn)稱PV 系統(tǒng)）；是利用太陽(yáng)能電池組件和其他輔助設(shè)備將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)，一般將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。根據(jù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用形式、規(guī)模和負(fù)載類型，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，可分為如下幾種類型：小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電直流供電系統(tǒng)，大型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電交流、直流供電系統(tǒng)，并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，混合供電太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)混合太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)形成電路，通過(guò)太陽(yáng)能電池組將接收的太陽(yáng)能輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池組將接受的太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流［4］。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

由圖1可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能光板將白天采集的太陽(yáng)光，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，再由控制器升壓供家用電器或生產(chǎn)企業(yè)使用。由于在夜間沒有太陽(yáng)光，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將白天產(chǎn)生的多余的電能儲(chǔ)存到蓄電池，供夜間使用。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.2 蓄電池工作過(guò)程

由圖2可知，晶片接收太陽(yáng)光照射時(shí)，硅半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，N區(qū)的空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，相反P區(qū)的電子向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成從N 區(qū)流向P 區(qū)的電流，在二者交界處形成了電勢(shì)差，也就是電源。

圖2 蓄電池工作過(guò)程

純凈的半導(dǎo)體是不會(huì)導(dǎo)電的，為了增加半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)電微?！昭?、自由電子的數(shù)目，通常制作PN 結(jié)時(shí)，在半導(dǎo)體中摻入五氧化二磷（P2O5）、三硫化二砷（As2S3）、三硫化二鎵（Ga2S3）等雜質(zhì)［5］，可大大提高半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力。在太陽(yáng)能光板大小不變的情況下，將太陽(yáng)能光板用金屬網(wǎng)格覆蓋P-N結(jié)，可增大太陽(yáng)光的照射面積。為減少太陽(yáng)能光板對(duì)太陽(yáng)光照的反射，在太陽(yáng)能光板表面涂一層防反射涂層，能夠?qū)⑻?yáng)光照反射的損失減小到5%以內(nèi)，大大提高了照射到太陽(yáng)能光板能量的利用率。

由于單個(gè)電池產(chǎn)生的電能有限，可將多個(gè)電池（通常取36 個(gè)）通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)方式組成太陽(yáng)能光電板。

3 蓄電池充放電控制程序

蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，使用壽命長(zhǎng)短直接影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的經(jīng)濟(jì)性。影響蓄電池使用壽命的關(guān)鍵因素主要為蓄電池的充電程度和放電深度。蓄電池作為負(fù)載的供電電源，在使用過(guò)程中，若出現(xiàn)連續(xù)陰、雨、雪天等，容易造成蓄電池過(guò)度放電；蓄電池作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)暴曬，容易造成蓄電池過(guò)度充電。過(guò)度充電或放電都將會(huì)造成蓄電池疲勞，從而喪失儲(chǔ)能功能，因此，需控制蓄電池的充電程度和放電深度。

3.1 單片機(jī)技術(shù)

為提高蓄電池充放電控制的精確度，可采用單片機(jī)控制技術(shù)。單片機(jī)又稱為微型控制器（Microcontroller），是一個(gè)集成在芯片上、完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其大部分功能集成在小芯片上，具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所必需的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，外存以及集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等的外圍設(shè)備。

單片機(jī)研究初衷是應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，最初的設(shè)計(jì)理念是將大量外圍設(shè)備和CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成復(fù)雜、體積要求小的控制設(shè)備中。

單片機(jī)開始于20 世紀(jì)70 年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段［6］。

作為微型機(jī)的一個(gè)主要分支，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把CPU、定時(shí)器、存儲(chǔ)器和I/O 接口電路集成制作在一塊超大規(guī)模的集成電路芯片上，使其組成和功能等同于一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

3.2 控制程序

本研究對(duì)8 塊太陽(yáng)能光板采光發(fā)電，2 塊蓄電池儲(chǔ)能，蓄電池的充放電電壓控制在12～15 V，該控制過(guò)程采用89C51系列單片機(jī)芯片完成。

控制程序如下：

#include

//變量

xdata unsigned int delayms；//計(jì)時(shí)毫秒（延時(shí)用）

xdata unsigned char dispnomber；//顯示位數(shù)

xdata unsigned char dispdata［4］；//顯示數(shù)據(jù)void control（void）；

code unsigned char disptable ［17］ =//顯 示段碼

｛//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

0x3F， 0x06， 0x5B， 0x4F， 0x66， 0x6D，0x7D，0x07，0x7F，0x6F，0x77，0x7C，0x39，0x5E，0x79，0x71，0X80，｝；

u16 Get_ADC10bitResult（u8 channel）；//AD轉(zhuǎn)換

void main （void）

｛

ADC_CONTR=0x80；//90T，ADC power on

Start （）；//初始狀態(tài)

while （1）

｛

control（）；//風(fēng)光互補(bǔ)控制

｝

｝

void control（void）

｛

if（CHK_15VO） //判斷太陽(yáng)能輸入電壓

｛

KZ15VO=1；//太陽(yáng)能供電開啟

KZ15VIN=1；//開關(guān)電源供電開啟

LED_15VO=0；//太陽(yáng)能輸出指示燈

LED_15VIN=0；//開關(guān)電源供電指示燈

if（CHK_15V） //判斷15V電壓

｛

KZBTIN=1；//充電打開

LED_BTIN=0；//充電指示燈

if（CHK_12V） //判斷輸出電壓是否大于12V

｛

KZBTOUT1=0；//蓄電池不供電

KZBTOUT2=0；

LED_BTOUT1=1；

LED_BTOUT2=1；

｝

else//小于12V電池放電

｛

KZBTOUT1=0；

KZBTOUT2=1；

LED_BTOUT1=1；

LED_BTOUT2=0；

｝

｝

else//小于15V，充電關(guān)閉

｛

KZBTIN=0；

LED_BTIN=1；

｝

｝

else//太陽(yáng)能輸入電壓不足

｛

KZ15VO=0；//關(guān)閉太陽(yáng)能輸出

KZ15VIN=0；//關(guān)閉開關(guān)電源供電

LED_15VO=1；//LED熄滅

LED_15VIN=1；

……

未使用單片機(jī)控制前，主要是通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)中指示燈的亮度變化或顏色改變來(lái)判斷蓄電池的充放電程度，但該方法控制誤差大，其原因一方面是由于指示燈的亮度變化不容易觀察到；另一方面指示燈使用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，自身亮度變暗，使得顯示不準(zhǔn)確，導(dǎo)致蓄電池充放電控制精度低，耗費(fèi)人力，且蓄電池的充電電壓超過(guò)15.80 V，而放電電壓低于10.23 V，蓄電池易疲勞，降低使用壽命。而采用單片機(jī)技術(shù)控制蓄電池的充放電過(guò)程，保證了蓄電池的充電電壓不超過(guò)15 V，放電電壓不低于12 V，有效控制了蓄電池的充電程度和放電深度，通過(guò)用戶評(píng)價(jià)，蓄電池的使用壽命平均能夠延長(zhǎng)1年到1年零3個(gè)月。