在单片机原理下光伏空调系统设计与分析

第 1 章 绪 论

1.1 太阳能发电的概述
1.1.1 太阳能的能源战略地位
无论是在过去还是现在，人类社会都存在着不同程度的能源危机，在未来，这种危机将会越来越严重。无论在世界还是在中国，人们都正在致力于各种新型能源的开发与利用。提到新型能源，我们势必首先想到的便是太阳能。太阳能与其它常用的能源相比较，主要有以下几个特点：首先，太阳能是人类目前生存的自然环境中蕴藏最丰富的能源，据权威数据显示，在过往的十几亿年的历史长河中，太阳仅消耗了其自身百分之二的能量。
今后足够给人类提供几十亿年甚至更长久的能量供应，所以，太阳能量可谓是一种取之不尽，用之不竭的自然能量。而我国地处北半球，幅员广阔，大部分的地区位于北纬 45°以南，是世界上太阳能最丰富的地区之一，尤其是在我国的西部地区，年日照时间达3000h以上。据统计，在中国的陆地上，每年能接收到的太阳能量约为50×1018KJ(12×1018Kcal)，大约等同于1700亿吨的标准煤所提供的能量。其次，太阳能是一款典型的绿色能源。在对其开发和利用的过程中，不会产生废弃物，不会产生噪音，更不会破坏生态平衡。绝对不会造成污染或公害。最后，在我们赖以生存的地球表面的每一个角落都有太阳能，随处都能够开发利用，因而不存在运输困难的问题，尤其在交通运输还欠发达的农村、海岛等地区，太阳能的开发对区域的发展所具有的价值更大。
欧洲太阳能日活动已经成功举办了四届，该活动由欧洲光伏产业协会（EPIA），欧洲太阳能热利用产业联盟（ESTIF）等25家隶属机构共同举办，并得到了欧盟委员会的支持，此次会议共吸引了五十余万人的关注，这足以表明，太阳能作为一种可行的替代能源已经被普罗大众所关注和接受，光伏产业也已经成为全球社会共同致力发展的一种新型能源产业。进入二十一世纪，随着中国经济的持续快速增长，包括电力行业在内的能源供应，以及环境对经济社会发展的瓶颈制约等现实情况已日趋严峻，尽管传统的能源建设已经加快了能源产业的发展步伐，“十一五”期间，发电量、原煤产量均获得迅速增长，但很长的时间以来我国能源结构相对单一，新型能源发展较滞后以及传统能源对环境的污染等问题，已经成为了我国社会的可持续发展的严重阻碍。
面对这种状况，我们势必要将目光转移到可再生能源的开发上来。众所周知，太阳能发电是三大新能源发电（核电、风电和太阳能）技术中开发潜力最大的一种方式。核电虽已具有大规模装机能力，但运行安全问题以及长期燃料供给仍是影响其发展的症结；风电仍面临着并网难和建设成本高等问题，且预计未来成本降低空间也较小。而太阳能资源的充足性、广泛性、清洁型、安全性以及技术进步带来的潜在经济性使得光伏发电在长期能源战略中占有重要地位。由于我国所处的地理位置优势等原因，所以我国的太阳能资源相当丰富，高于60%的国土面积上，每平米太阳能年辐射总量约达3350-8400兆焦，且光能均匀分布，这无疑为我国的太阳能光伏发电产业的持续发展奠定了非常可靠的资源基础。
我国光伏产业的起步较之于国外较晚，但到上世纪 年代便已进入了稳健发展的阶段。光伏电池组件量不断增加，通过过去三十余年的奋斗，已经迎来了高速发展的又一阶段。然而，我国的光伏产业虽已走出了不易的起步阶段，进入了快速成长时期，但与我国所蕴藏的丰富的太阳能资源相比，与我国对电力资源的强大的需求量相比，与发达国家先进电力技术相比，其开发利用步伐仍需大力加快。
太阳能光伏发电产业是全球可再生能源产业中发展最快的产业，近十年来，太阳能电池的产量一直维持着 37％左右的年平均增长率，近五年来的这一增长率则上升为45％。按照可再生能源发展计划的预测，2010年以前的光伏产业将持续保持着高于30％的增长率，2010年至2040年的30年内，光伏行业的复合年增长速度将达到25％，不难得知，这种高速的增长将至少持续三十年或更久。

    1.2 光伏空调技术的发展现状 ............12-14
        1.2.1 光伏空调的开发意义 ............12-13
        1.2.2 国内外光伏空调的研究现状 ............13-14
    1.3 本课题的研究目的与研究内容 ............14-17
        1.3.1 本课题的研究目的 ............14-15
        1.3.2 本课题的研究内容 ............15-17 
第2章 时变受限功率条件下光伏变频空调系统的基本原理 .....17-39
    2.1 系统原理概述及框图 ............17-19
    2.2 最大功率点跟踪算法的研究 ............19-24
    2.3 恒压频比控制方式 ............24-27
        2.3.1 给定频率的确定 ............24
        2.3.2 变频调速基本原理 ............24-27
    2.4 SPWM 脉宽调制技术 ............27-38
        2.4.1 PWM 控制技术的分类 ............27-28
        2.4.2 PWM 的基本原理 ............28-29
        2.4.3 SPWM 调制原理 ............29-38
    2.5 本章小结 ............38-39
第3章 系统硬件电路设计 ............39-51
    3.1 系统硬件电路总体结构的设计 ............39
    3.2 主电路原理及设计 ............39-42
        3.2.1 DC-DC 变换器电路 ............39-40
        3.2.2 IPM 智能功率模块 ............40-42
    3.3 控制电路设计及原理 ............42-50
        3.3.1 413A 最小系统设计 ............43-46
        3.3.2 MCU 控制电路 ............46-49
        3.3.3 IPM 模块及其应用电路 ............49-50
    3.4 本章小结 ............50-51
第4章 控制系统软件实现 ............51-54
    4.1 SPMC75F2413A 变频程序 ............51
    4.2 产生 SPWM 信号的结构原理 ............51-53
        4.2.1 SPWM 电路结构框图 ............51-52
        4.2.2 程序控制算法 ............52
        4.2.3 程序流程图 ............52-53
    4.3 本章小结 ............53-54

总 结

基于对全球能源危机、太阳能源的深入化以及我国城乡居民对于家用空调的使用量的日渐攀升致使电网负荷过量等因素的考虑，并同时兼顾不对并网造成干扰，本设计所研究的是，将太阳能电池板提供的有限且时变的受限功率，通过电能变换技术，不并网、不添加蓄电池，直接应用于驱动恒转矩负载特性的空调压缩机，达到空调制冷的目的。这也正是本课题不同于其他并网光伏空调的一个创新点。
这一研究的深入，不仅有利于缓解目前日渐严峻的世界能源危机问题，同时对我国光伏产业的发展也起到了积极推动的作用，更重要的是，本课题的实现填补了家用光伏电器领域的空白。
本系统的实现原理并不复杂：太阳能电池板输出的直流电经过 DC-DC 升压斩波电路升压到一定值的直流电压，这里采用了最大功率点跟踪技术（MPPT)保证光伏电池以最大功率输出，升压后的直流电压在单相桥式逆变电路下输出一定频率、相位的单相交流电。以单片机 SPMC75F2413A 为核心控制芯片的控制电路通过对太阳能电池板输出电压电流的检测与运算，得出相应的指令，生成 SPWM 控制波形信号并由驱动 IPM 智能功率模块输出相应功率下的电压、频率值的单相交流电，驱动异步电动机带动压缩机运行，实现空调制冷。