太阳能流体降温空调船设计与制作毕业论文

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1、南昌航空大学Nanchang Hangkong University毕业设计（论文）题 目：太阳能流体降温空调船设计与制作 专 业： 光伏材料应用技术 姓 名： 准考证号： 指导教师： 【摘 要】 随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展1。而在我国，光伏系统的应用还刚刚起步，在2011年国内的光伏企业发展迅速，目前已形成了以赛维、晶科等企业为龙头的支柱产业

2、链结构。针对现状，本文着重于今后发展前景广阔的光伏系统在交通运输工具上的应用做个阐述，通过对国内外市场和技术的调研，分析了目前光伏发电系统在船舶上的应用的调研。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏发电技术在船舶上的应用等方面将为今后的供电系统及各类交通运输工具的供能带来新的变化。而我们腾飞之光团队制作的太阳能流体降温空调船，正是把太阳能发电系统应用于交通工具特别是海上交通工具船的结合展现的完美无瑕！我们应该坚信在不久的将来，把太阳能应用于各个方面的实例将数不胜数，且会结合的更加完美。我们的游船在制作过程中遇到很多的困难和矛盾，但都通过“TRIZ理论”的矛盾矩阵方

3、法给解决了。【关 键 词】 光伏电池 太阳能游船 空调【论文类型】 本科毕业论文 【Abstract】Along with the development of human society, the consumption of energy are constantly increasing, in the world of the fossil energy will one day will reach the limit. At the same time, because of burning fossil energy, global worsening ecological en

4、vironment, to human survival and development constitute a serious threat. In this context, the solar energy as a huge amount of renewable energy, caused the attention of people, governments are gradually advance the development of solar photovoltaic power generation industry 1，And in our country, th

5、e application of photovoltaic system has just begun, in 2011 the domestic pv enterprise development is rapid, at present has formed a d, crystal, the leading enterprises such as pillar industry chain structure. In view of the present situation, this paper focuses on future development prospect of ph

6、otovoltaic system of transport in the application of a paper, through the domestic and international market and technology research, analysis of the current (pv) power system in the application of the investigation of the ship. Believe that as the development of one of the most rapid high technology

7、, solar photovoltaic power generation technology, especially the photovoltaic power generation technology in the application of the ship etc for future power supply system and all kinds of transportation tools offer can bring the new changes.And we made light of rapid team solar fluid cooling air co

8、nditioning ship, it is the solar power system applied in traffic tools especially maritime traffic tools-the combination of the boat show was flawless. We should believe that in the future, the solar energy application in various aspects of the numerous examples will be, and will be combined with th

9、e more perfect. Our boat in the production process of come across a lot of difficulties and contradictions, but all through the TRIZ theory to solve the contradiction of the matrix method.【key words】 photovoltaic cells, solar cruise,air conditioning【The paper type】 undergraduate graduation thesis目录

10、第一章 引 言1 1.1 国外太阳能游船的发展现状1 1.2 国内太阳能游船的发展现状 2 第二章 太阳能流体降温空调船的总体结构3 2.1 传统空调的结构及原理4 2.1.1 传统空调的结构4 2.1.2 传统空调的制冷原理4 2.2 水墙式空调的结构及原理 5 2.2.1水墙的结构 5 2.2.2水墙式空调的原理5 2.2.3水墙式空调的优势6 第三章 船载光伏发电系统 6 3.1光伏电池的介绍和光伏发电系统 6 3.1.1光伏电池 6 3.1.2光伏发电系统 6 3.2 船用光伏板的选择及要求 8 3.2.1 光伏板的选择 7 3.2.2 光伏板的功率要求 7 3.3 控制器的功能及参数

11、 7 3.3.1 光伏控制器的功能 7 3.3.2 光伏控制器的主要参数 8 3.4 蓄电池的类型及选择 8 3.5 铅酸蓄电池的工作原理及充放电保护 9 3.5.1 铅酸蓄电池的工作原理 9 3.5.2 蓄电池的充放电保护 10 第四章 太阳能游船的控制系统12 4.1单片机的连线结构 12 4.2单片机的控制程序 13 第五章 加载交流负载所需的逆变系统设计14 5.1逆变器的电路原理14 5.1.1 逆变器的逆变传统技术15 5.1.2逆变器的SPWM控制技术16 5.2逆变器的驱动电路17 5.3硬件电路18 5.4系统软件设计20 5.4.1基于AT89C51的系统软件设计20 5.

12、4.2系统的主程序流程图21 第六章 我们制作的游船取得的阶段性成果 23参考文献24致谢25 附录26 第一章 引言目前国内外关于太阳能在船舶上的应用研究主要集中在小型船舶上,特别是对环保要求较高的风景区旅游观光船。太阳能船舶无污染、对环境友好、符合绿色能源的要求、产品的使用成本及维护成本低、一次投资长期受益;同时也存在初始投资高,使用受天气限制等缺点。太阳能船全船方案：太阳能的应用船型选择双体船,有以下优点。1)甲板面积大。同样的排水量,双体船的有效甲板面积一般要比单体船大50%60%;在相同的甲板面积下,双体船的长度一般可较单体船短25%30%。这符合太阳能船要求较大的甲板面积的需求和客

13、船要求宽敞舒适的需求。2)稳性好。双体船复原力矩大,初稳心高,横摇周期短,符合客船的高安全性的要求。国内外的太阳能船舶绝大多数是双体船，但是也不泛单体船。1.1国外太阳能船的发展现状在国外，太阳能发电在实际应用中应用的比较广泛，主要用于光伏一体化建设，居民用电等，在太阳能不断的发展中，国外加快了太阳能在各个领域的应用，如游船方面，国外致力于把太阳能作为主要动力来提供给游船的航行的动力，例如“图兰星球太阳”号游船，它作为一艘完全由太阳能来提供动力的游船，在2011年完成了环球航行，成功的向世人展示的太阳能与交通工具的完美结合，该船造价1250万欧元(约合1785.46万美元)。“图兰(Turan

14、or)”这个名字取自约翰-罗纳德-瑞尔-托尔金的小说指环王，意思是“太阳的能量”。船上覆盖的太阳能电池板面积超过500平方米，为每个船体的两个电动机提供动力。该船采取这样的形状，它的最高时速因此可达14节(25.93公里/时)。“图兰星球太阳”号的船体已经在风洞里进行了模拟实验，并进行了水箱试验，以确定它的流体力学和空气动力学符合要求。按照原定计划，这艘31米长的船完成这项创纪录的环球之旅后，将成为一艘奢华游艇，可以搭乘40名游客。该艘太阳能游船完全依靠太阳能来做动力的游船绿色、环保，真正的实现了污染零排放。其唯一的缺陷就是太阳能提供的电力有限，航行速度比较慢。另外还有一些其他的游船，例如成功

15、穿越大西洋的瑞士“太阳能21号”,具有混合动力的澳大利亚的太阳能风帆电动船,德国KOPF solard-esign设计的太阳能观光船等。这些游船都有一个特性，就是都是双体船。这样做有两个优点：第一，甲板面积大，这也就是说安置太阳能光伏板的面积大，则受光面积也大，可以提供游船航行所需动力；第二，稳定性好，游船是载客用的，所以安全必须放在第一个位置，双体船的设计可谓是避免了光伏板面积大且重的缺点，合理的设计了整个船体结构，这同样在很大程度上是为游客着想，游客游玩以安全为首，双体船的设计正符合游客的需求。 图为“图兰星球太阳”号游船 “太阳能21号”游船1.2国内太阳能游船的发展现状在我国把太阳能应

16、用于游船的是台湾高雄地区，其在上个世纪就开始了这方面的研究，并成功的投入实际应用，这就是“太阳岛号”游船，它的外形呈现完美的流水型，不仅减少阻力而且美观。船顶透明晶亮的太阳能集电板，总共22片，太阳能充电系统达5KW之多，太阳能板功率为14%，但14%太阳能储能供电率却有94%高效能的利用率，其在储能设计及充放电方面的设计的技术都比较先进，避免了漏电现象，确保了游船的运行。2011年9月，由哈尔滨市自主设计的“太阳岛号”游船成功试航，该“太阳岛号”游船总投资1000余万元，于2011年4月初开始设计建造，为钢质双体双机双桨游船，平均时速为26.5公里，动力为169千瓦（230马力）。其总长为3

17、7.2米，型宽10米，型深1.8米，水线长为34米，设计吃水为0.9米，可接待游客120人。另外还有一艘混合动力游船值得一讲，这是一艘由尚德太阳能电力控股有限公司投资、中国船舶重工集团公司设计制造、上海国盛（集团）负责运营的“尚德国盛号”游船该船是国内第一艘采用多种能源的混合动力船舶，首次将太阳能电力导入游船动力，将混合动力模式引入船舶建造，其最具特色的“太阳翼”高10米宽5米，采用高效晶硅异型太阳能电池70余片，可跟踪阳光照射方向自动旋转，综合选择风力、风向，最大化利用太阳能。“尚德国盛号”总长31.85米，总宽9.8米，高7米，可容纳150余名游客。在不同的日照情况下，船体行驶所使用的动力

18、可在太阳能和柴油机组间进行自动调配，时速近15公里，节省电力和减排均达到30%以上。“尚德国盛号”是一艘科技含量极高的环保节能船，其太阳能电池板“太阳翼”的面积为48平方米，当风力小于5级时，“太阳翼”始终处于吸收太阳能效率最大的角度以高效收集太阳能；当风力在5级至6级之间，“太阳翼”根据风向、风力并与阳光照射情况自动优化选择方位；风力在6级及以上，“太阳翼”在60秒内放倒至30度，保证航行安全。 “太阳岛号”游船 “尚德国盛号”游船 此上为国内外游船发展现状的对比和阐述，通过比较我们可以看出，我国的太阳能起步比别的国家晚了几年，但是近几年的发展还是挺快的，但是由于把太阳能应用于交通工具的研究

19、与国外相比更是相差甚多的原因，我国的太阳能游船设计还不是很完美，所以我们要加快发展，赶超外国的现有水平，以达到国际先进的水平！ 第二章 太阳能流体降温游船的总体结构太阳能流体降温空调船是一艘由我们腾飞之光团队独立设计研发的游船，它把太阳能发电系统应用于船体上，纯粹利用太阳能来给游船提供动力，且为游船上面的直流负载提供运行的电力。它是一艘单体游船，因此在它的稳定性设计方面我们下了好大的功夫，现前完全可以保证游船可以在湖面上平稳的行进，且功能设计的功能都可以实现。目前我们这艘游船没有加载逆变系统，因为我们所设计的模型采用的都是直流负载，如果要加交流负载，只需在游船上加载一个逆变器，设计一个逆变电路

20、即可，在后面将会讲到关于逆变器和逆变系统的一些知识。 如下图所示： 这艘由江西渝州科技职业学院新能源工程学院“腾飞之光”团队自主设计的太阳能流体降温空调船，由于各方面条件的制约的原因，游船目前只是一个模具，所具有的功能还很少，不过这艘游船已经下水试航，证明可以安全平稳的航行，再者这艘游船有其不同于其它游船的地方，如：流体空调设计、完全由太阳能提供动力等。这艘游船目前模型的组成很简单，就是由木制的船体、多孔材料制作的船舱、光伏板，控制器、蓄电池、单片机控制系统、红外和无线遥控系统、检测路障系统等。 这艘游船长165cm，宽44cm，高25cm；载重量达150斤。动力达30W，速度可达1.2m/s

21、，吃水深度为13.5厘米，可平稳航行。 如果要应用于实际的话，其船体可用钢制，船舱分内外两层，外层用绝热性较好的材料可用岩矿棉、玻璃棉、陶瓷纤维、聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫塑料等，内层用导热性好材料，例如铝、铝合金等导热系数高且价格合力的材料。再者就是太阳能发电系统：光伏板、控制器、逆变器、蓄电池等，这些要根据设计的船体大小来决定。这艘船的控制系统可以用单片机来控制，编写程序，使用无线或者红外遥控控制或者人工控制；其可以增加检测路障的控制系统，提高游船航行过程中的安全性。2.1 传统空调的结构及制冷原理 2.1.1传统空调的结构 传统空调的结构组成主要有：压缩机、热交换器、制冷剂、风机管道、

22、风扇等。下图是典型的传统家用空调结构图： 2.1.2传统空调的制冷原理气态制冷工质（如氟利昂）经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水（空气）进行等压热交换，变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内气化。液体气化过程要吸收气化潜热，而且液体压力不同，其饱和温度（沸点）也不同，压力越低，饱和温度越低。例如，1kg的水，在绝对压力为0.00087MPa，饱和温度为5，气化时需要吸收2488.7KJ热量；1kg的氨，在1个标准大气压力（0.10133MPa）下，气化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33。因此，只

23、要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获取所要求的低温。依此原理，气化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低（一般降为7）。制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复循环过程。2.2水墙式空调的结构及原理对于空调的第一感觉，人们首先想到的是高能耗、高成本。为了解决这一难题，我们提出了用太阳能“水墙式”空调来代替传统的空调。2.2.1水墙的结构传统的墙壁都是实心的钢制的，我们制作的游船的墙壁分为内外两层，外部由绝热性较好的材料，内层则用导热性较好的材料，且内外材料必须为不能遇水就锈的材料，两层不同材料的墙壁中间为空心。水墙上方夹着水管，且墙体下方也有出水通道。水墙结构如

24、下图： 2.2.2水墙式空调的原理所谓“水墙式”就是利用太阳能给水泵供电将储水区的水抽到一定高度，在室内从墙的上端以“水帘洞”的形式沿着墙面流到墙的底部，然后用一根排水道将水流排到储水区形成水循环系统，利用水循环系统带走屋内的热量从而达到调控室内温度的目的。 2.2.3水墙式空调的优势我们提出的这种“水墙式”空调相比传统的空调。其中耗能的仅仅只有一个水泵，功耗极低。并且至少还有以下几个优势：其一、我们采用了既环保又清洁而且可循环再生利用的水资源。这不仅大大降低了制作成本而且符合了节能、减排、低碳的可持续发展路线。其二、他的市场推广前景也是相当可观的。其三、这是普通老百姓都能买得起的产品。其次我

25、在谈谈当前大部分空调技术是以电能为动力依靠冷循环介子氟利昂等，氟化物把室内热量加以吸排到室外。这种传统的压缩式空调技术存在一下缺点：其一、耗能严重问题。其二、氟利昂等氟化物的大量使用导致了臭氧层的破坏生态环境。和我们这种零污染能源充足及动力技术是当前人们一直所追求的，是全世界面临的自然环境所必须着力思考的。尽管国外的太阳能空调技术在使用中是非常清洁的。应用了真空集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、循环泵、冷却塔、空调箱、辅助燃油锅炉和自动控制系统等。面对众多复杂的部件，在使用时所出现的问题会大大增多。而我们的太阳能“水墙式”空调则是结构简单、效果明显的良好设计，同时我们也面临着一个

26、更严峻的问题：用什么样的水循环方式在不增加能源动力耗费的情况下使调温的上下限宽度增大，从而满足实际应用的要求。第三章 船载光伏发电系统3.1光伏电池的介绍和光伏发电系统 3.1.1光伏电池光伏电池是将太阳能转换成电能的转换器。其发电原理是光生伏特效应，即太阳光照射到电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对，在电池内建电场的作用下，光生电子与空穴被分离形成电压。光伏电池多为半导体材料制造，目前应用最多的是硅太阳能光伏电池。而硅太阳能电池中，对2004年全世界生产和应用硅太阳电池情况统计显示：多晶硅占56%，单晶硅占29%，非晶硅占5%，带硅电池3%，薄膜电池占7%1。数据表明目前光伏发电的应

27、用主要还是多晶硅与单晶硅产品。 3.1.2光伏发电系统 太阳能电池单体是光伏转换的最小单元，工作电压约为0.450.5V，一般不能单独作为电源使用。为了便于使用，将太阳能电池单体进行串并联并封装后形成可以单独作为电源的单元组件，也称为光伏组件。为满足负载所要求的输出功率，将光伏组再经过串并联就形成了具有一定输出功率的光伏方阵或太阳能阵列。由于太阳能光伏方阵所产生的电压为直流电压，且受到太阳光强度的太小而变化。为了得到稳定的可供常规交流负载使用的交流电，通常采用控制器、逆变器、蓄电池等形成稳定的光伏发电系统。光伏发电系统主要有两种形式。一种为独立光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、蓄电池、逆变器、

28、交流负载组成独立的供电系统；另一种为并网光伏供电系统，由光伏方阵、控制器、并网逆变器组成并网发电系统，将电能直接输入公共电网。这两种系统中，并网光伏系统是太阳能光伏应用的主要形式。 3.2船用光伏板的选择及要求3.2.1光伏板的选择 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 多晶硅电池板光电转换效率约16%左右 (2009年10月14日我国尚德电力控股有限公司上市效率为

29、16.53%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。综上所述，我们可以得出的是无论在哪方面单晶硅都要比比多晶硅电池好的多，再者由于我们游船的面积有限，所以需要转换效率高一点的太阳能电池板。因此，单晶硅电池板是我们的最佳选择。3.2.2光伏板的功率要求我们制作的太阳能流体降温空调船的马达、水泵、风扇等的功率总和为40W，所以我们选择的光伏板必须是转换的电能可达功率为40W以上的直流负载使用所需的

30、光伏板，且光伏板的输出电压为18V，以方便给蓄电池充电。3.3控制器的功能及参数 3.3.1光伏控制器的功能（1）高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。（3） 低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。（4）保护功能： 防止任何负载短路的电路保护。 防止充电控制器内部短路的电路保护。 防止夜

31、间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。 通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为 5mv/?C/CELL。3.3.2光伏控制器的主要参数1.箱体结构：壁挂式2.最大充电电流（A)：53.最大放电电流（A）：53.蓄电池额定工作电压（V）：124.太阳能电池额定输出电压（V）：185.太阳能电池最大开路电压（V）：256.过充电电压（V）：14.87.过放电电压（V）：10.88.恢复供电电压

32、（V）：12.39.控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1%10.通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5%11.输入输出开关器件：继电器或MOSFET模块12.工作温度范围：15C - 55 13.环境湿度：903.4蓄电池的类型及选择澳大利亚标准AS4086系统地规范了独立功能系统中蓄电池组的要求（澳大利亚标准，1993，1997）。它可应用于各种类型的蓄电池，包括铅酸、镍镉以及排气和阀控蓄电池等。选择蓄电池的因素有：寿命长、较长的负载周期和较低的漏电量、比较高的充电效率、低价格、低维护等。适用于独立光伏系统的蓄电池包括铅酸、镍镉、镍氢、充电式碱性、铅酸、和氧化还原蓄电池（Crom

33、pton，1990；Sauer，2003；Spiers，2003）。目前，使用最普遍的铅酸蓄电池。所以我们制作的游船选择的蓄电池就是铅酸蓄电池中的阀控铅酸蓄电池（密封蓄电池），且因为这种蓄电池另一方面也易于维护。我们太阳能流体降温空调船所选择的铅酸蓄电池的规格为12v10ah的规格，即和普通的电动车的蓄电池的规格一样，3.5 铅酸蓄电池的工作原理和充放电保护 3.5.1铅酸蓄电池的工作原理1.铅酸蓄电池的结构： 构成铅蓄电池之主要成份如下： 阳极板(过氧化铅.PbO2)- 活性物质 阴极板(海绵状铅.Pb) - 活性物质 电解液(稀硫酸) - 硫酸.H2SO4 + 水 .H2O 电池外壳 隔离

34、板 其它(液口栓.盖子等)2.铅酸蓄电池的充放电 铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极) (电解液) (阴极)PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应)(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅)(阳极) (电解液) (阴极)PbSO4 + 2H2O + PbSO4 - PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应)(硫酸铅) (水) (硫酸铅)a. 放电中的化学变化蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上

35、的活性物质产生反应,生成新化合物硫酸铅。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。b.充电中的化学变化由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯

36、水补充之。3. 充放电特性曲线光伏系统的蓄电池通常被用于恒定电压模式（即浅循环模式）或循环模式。就是说蓄电池一直在进行充放电的循环，为了维护蓄电池的寿命，就要控制过充、过放、过流等，所以每个电池的电压通常会用稳压器限制在2.35V，蓄电池的最大电压也被限制在14V左右，典型的蓄电池的充电特性如图所示： 浅循环蓄电池的放点深度不应超过25%（Ball & Risser，1988），典型的蓄电池放点特性曲线如下图所示： 3.5.2蓄电池的充放电保护 充放电保护由充放电保护电路来进行 a、正常状态 在正常状态下电路中N1的“CO与“DO脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进

37、行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。 7|此状态下保护电路的消耗电流为A级，通常小于7A。b、过充电保护 铅酸电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流越来越小。 电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。 在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达

38、到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。 在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。c、过放电保护电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池

39、放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。 由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1A。 在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。d、

40、过电流保护 由于铅酸电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。 电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流

41、为零，起到过电流保护作用。 在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。 在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。e、短路保护 电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通

42、常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。 第四章 太阳能游船的控制系统 4.1单片机的连线结构 我们制作的太阳能流体降温空调船所用的线路模块、小系统等都是由我们自己买电路元件独立焊接制作的，由于水平有限，所以板子看起来有点混乱，但是我认为用我们自己焊接的板子来制作，我们可以用的更放心，且可以随便的加载和删减一些东西，方便满足我们不短完善的系统及功能。 图为单片机连线结构示意图 这艘太阳能游船的控制系统主要是由单片机来控制，首先用KEIL软件编写程序，在一次一次的运行和纠错中把程序逐渐完善程序，且不断的增加新的功能，以便实现游船的整体遥控的控制，我们的控

43、制模块有两个：一个是无线控制，一个是红外控制。无线控制游船的直线航行和左右转弯，红外控制游船的温控系统和风扇及路障检测系统。4.2 单片机控制程序太阳能流体降温空调游船所有系统的控制程序，包括了直线航行转弯的控制、温控、路障检测控制等，真正的实现了的无人自动化控制（见附录）。我们编写程序所用的工具是C语言，而不是汇编，这是由于C语言所具有的特性，比如其功能强大、使用灵活、可移植性好、目标程序质量好等，相比汇编，C语言更简单易懂、便于记忆等。下面结合8051介绍单片机C语言的优越性： a.不懂得单片机的指令集，也能够编写完美的单片机程序； b.无须懂得单片机的具体硬件，也能够编出符合硬件实际的专

44、业水平的程序； c.不同函数的数据实行覆盖，有效利用片上有限的RAM空间； d.程序具有坚固性：数据被破坏是导致程序运行异常的重要因素。C语言对数据进行了许多专业性的处理，避免了运行中间非异步的破坏； e.C语言提供复杂的数据类型（数组、结构、联合、枚举、指针等），极大地 增强了程序处理能力和灵活性； f.提供auto、static、const等存储类型和专门针对8051单片机的data、 idata、pdata、xdata、code等存储类型，自动为变量合理地分配地址； g.提供small、compact、large等编译模式，以适应片上存储器的大小； h.中断服务程序的现场保护和恢复，中断

45、向量表的填写，是直接与单片机相关的，都由C编译器代办； i.提供常用的标准函数库，以供用户直接使用； j.头文件中定义宏、说明复杂数据类型和函数原型，有利于程序的移植和支持单片机的系列化产品的开发； k.有严格的句法检查，错误很少，可容易地在高级语言的水平上迅速地被排掉； 可方便地接受多种实用程序的服务：如片上资源的初始化有专门的实用程序自动生成；再如，有实时多任务操作系统可调度多道任务，简化用户编程，提高运 行的安全性等等。 第五章 加载交流负载所需的逆变系统设计5.1 逆变器的电路原理 为了设计并网逆变器控制系统，必须先介绍逆变器的电路原理以图2-2的单相桥式逆变电路为例说明最基本的逆变工

46、作原理。图中SI-一 S4是桥式电路的四个臂，S1S4为开关管。当开关Sl、S4闭合，S2、S3断开，负载电压Uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，“o为负，其波形如图 2-3所示。这样，就把直流电变成了交流电，而改变两组开关的切换频率，就可以改变输出交流电的频率。 图5-1 单相桥式逆变电路 图5-2 单相桥式逆变电路的输出电压波形5.1.1 逆变器的逆变传统技术在三相逆变电路中，应用最多的是三相桥式逆变电路。电压型三相桥式逆变电路如图2-4所示 三相电压型逆变电路传统的多数采用的工作方式如下：逆变电路基本工作方式是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度为180度，同一相上下两个

47、臂交替导电，每相开始导电的时间依次相差120度，如此每一瞬间，将有三个桥臂同时导通。对于U相，当V1导电时，UUN =Ud/2，当V4导电时，UuN ，=-Ud /2。UuN 的波形是幅度为Ud/2的矩形波。V相和W相的情况和U相相似，只是相位依次差120度。UuN 、UvN 、UwN 的波形如图2-5所示 图5-3电压型三相桥式逆变电路 图5-4 UuN 、UvN 、UwN 的波形 设负载中性点N和直流电源假想中性点之间的电压为UNN ，则负载各相的相电压可以由下式求出： 整理可得： UNN =1/3( UNN +UVN +UWN )-1/3（UUN+UVN+UWN）设负载三相对称，即UUN

48、+UVN+UWN=0，则： UNN =1/3( UNN +UVN +UWN ) （2-2） 图2-5的e)给出了UNN 的波形，它是幅度为Ud/2，频率为UNN 频率三倍的矩形波。由式(2-1)和式(2-2)可以作出UUN的波形如图25的f所示，UVN和UWN的波形形状一样，只是相位相差1200、2400。 由图可见，负载相电压的波形为六拍阶梯波，通过傅立叶分析可知，此种波形含有很大的谐波分量，对负载(尤其是交流电动机负载)的工作性能带来很不利的影响。 图5-5 UNN和UNN的波形图5.1.2 逆变器的SPWM控制技术 PWM技术的理论基础是面积等效原理，即冲量(面积)相等而形状不同的窄脉

49、冲加在具有惯性的环节上时，其效果(环节的输出响应波形)基本相同。例如：如图27所示,有三个窄脉冲，(a)为矩形脉冲,(b)为三角形脉冲，(c)为正弦半波脉冲，它们形状不同，但它们的面积(冲量)都等于1。当它们分别作为图2 -8(a)具有惯性环节的R-L电路的输入时，设其电流f(D为电路的输出，图28(b)给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。由图中波形可知，在i(t)的上升段，脉冲波形不同i(t)略有不同，但其下降段几乎完全相同。脉冲越窄则其输出响应波形差异也越小。如果是周期性的施加上述脉冲，则其响应波形也是周期性的。用傅立叶级数分解后可以看出，各f(n在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不

50、同。 图5-6波形不同而冲量相同的各种窄脉冲 图5-7冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 本文的SPWM信号由单片机控制的SA4828产生，下文将作详细介绍。5.2 逆变器驱动电路 如图2-14所示，逆变器驱动电路是采用AT89C51单片机控制SA4828产生SPWM调制信号，其中SA4828是产生三相SPWM信号的专用芯片。驱动电路的主要作用是：当电压不正常时，自动产生50HZ两路矩形脉冲电压，这两路矩形脉冲电压相位相差1800,分别驱动两个IGBT。脉宽调制和驱动电路逆变时的电路如图所示，通过改变驱动信号的频率、占空比，就可以改变控制逆变电路的工作情况，实现输出电压的调节。当电压不正常时，此时

51、AT89C51单片机也发控制信号，使得SA4828开始工作，发六路脉冲信号控制IGBT的开通和关断，同一时刻有三个管子导通，而同一桥臂的上下两个管子轮流导通1800，根据PWM脉宽调制技术，逆变器将输出频率为50HZ的交流电。5-8逆变器驱动电路 5-9逆变器驱动信号产生电路5.3 硬件电路 5-10欠电压检测电路当太阳能电池板正常工作时，输出电压为96V，加在分压电阻R10，R11上，比较器“+”端电压U+近似为2.4V，“”端电压近似为1.8V，比较器输出+12V电压，光耦合器u2导通，发光二极管Z2承受正向电压，发绿光，输出P1.1=0；当太阳能电池板欠压时，U+U2，这样管脚3便维持在

52、+12V，Z1承受正压，发光，输出P1.0=0。当直流侧过压时，管脚2电压也相应的过高，其值比3.0V还有高，此时，管脚3输出电压为0V，D00导通，发光二极管Z2关断，不发光，输出P1.0=1。当直流侧电压从过压值降到临界电压时，虽然管脚2电压可降到3.0V,但由于管脚1已由3.0V变成了2.5V，因此管脚3仍为0V，只有当交流电压继续下降到一定值的时候，管脚2才降到2.5V以下，3管脚才能从0V上升到12V，此时，D00截止，1管脚上升到3.0V,准备下一次的过电压检测。 5-12交流侧过电流检测电路如图3-3为交流侧过电流检测电路。正常工作状态下，比较器的管脚1点位低于管脚2的点位，输出

53、0V，光耦合器U3不导通，发光二极管Z3截止，A相输出为“1”的高电平；负载过流时，管脚1电位上升，当高于管脚2的电位，使得“3”端输出+12V电压，光耦合器导通，发光二极管Z6发红光，此时A相输出“0”的低电平。 虽然负载是三相电压供电，但由于对称性原理，我们只需要检测其中的两相电流，另外一相电流就很容易获得。为了提高单片机管脚的利用率，检测电路中加入一个与门，所检测的A相和C相电流只有在两者都正常工作是才输出P1.5=1，只要有任何一相负载过流，电路中就会亮红灯且P1.5=0，输出“0”。5.4系统软件设计5.4.1 基于AT89C51的系统软件设计单片机是整个系统控制的核心 ，MCS-5

54、1系列中各种型号芯片的引脚是相互兼容的。制造工艺为HMOS的MCS-51单片机都采用了40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的80C51/80C52除采用DIP封装方式外，还采用方形封装方式，为44只引脚。40只引脚按其功能来分，可分为三类：（1）电源及时钟引脚：VCC，VSS；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RST.。（3）I/O口引脚：PO、P1、P2、P3为4个8位I/O口的外部引脚。 5-13 系统软件图5.4.2 系统的主程序流程图下面简要介绍整个系统流程图的工作原理：主程序开始后，首先要进行初始设置，这

55、里的初始化要包括显示器初始化、单片机系统初始化以及开中断，然后判断开机键是否按下，若按下，则调用显示子程序，显示当前逆变的工作状态，如果不正常，随即调用发送PWM波子程序使系统开始工作。最后再检测P1.5是否等于1，来检测负载是否过流，如果过流，那么就必须停止发PWM停止逆变器的工作，如果不过流，那么程序又返回到显示子程序继续循环执行。系统还可以用键盘对切换电路进行控制，此项操作时通过中断1来产生中断来实现的；输出过流检测则是通过中断0产生过流中断，同时发出报警信号，通过单片机控制逆变保护整个系统的安全。其控制程序如下：ORG 0000HSJMP MAINORG 0003HSJMP INT0ORG 0013HSJMP INT1MAIN MOV SP, #60HINIT: CLR P1.1CLR P1.6CLR P1.0SETB EASETB EX0SETB EX15-14 主程序流程图LOOP: JNB P1.1, ELEC1SETB P1.6ELEC1: ACALL T_PWMJNB P1.3, ELEC2CLR P1.5LCALL ALARM2ELEC2: JNB P1.4, ELEC2LCALL ALARM2LCALL STOPSETB P1.5ELEC3: JNB P1.4, ELEC4LCALL ALARM1