1. 研究目的与意义

21世纪以前，光伏电池的生产成本高，效率低成为制约其推广应用的瓶颈。而进入21世纪以后，光伏电池的成本已经得到很大程度的下降，为响应社会主义生态文明建设和建设21世纪新农村，光伏发电在农村得到广泛推广。

光伏电池的原理的发现到目前的技术广泛应用已经有170多年的发展历史。它先后经历了光生伏打效应的发现，美国贝尔实验室第一片实用性晶体硅光伏电池的发明已经光伏技术的不断创新发展，知道今天包括光伏材料，器材，系统及各种技术在内的成熟应用，整个光伏发电产业链体系的形成经历了漫长的历程，20世纪90年代后，光伏发电技术产业一直保持10%-50%的递增大发展速度。尤其是进入21世纪，光伏成为全球增长速度最快的高新技术产业之一，最为惊人的数据是在2005-2011年，全世界光伏电池的生产量平均每年增长超过50%。2011年全球电池组件产量超过30gw，2012全球电池组件产量已经达到约36gw，全球光伏系统装机容量超过100gw.2013年，科学家发明了一种新型光伏电池——钙钛矿电池。研究发现，以钙钛矿为原谅的光伏电池转化效率可高达50%，此技术大幅降低光伏电池的使用成本。2018年11月2日上午，国家能源局召开关于太阳能发展“十三五”规划中期评估成果座谈会，商讨“十三五”光伏发电及光热发电等领域的发展规划目标的调整。根据中国目前形成的制造业规模和部分电力投资企业发展目标，未来中国需要每年40gw的新增装机才能维系行业的有序发展，并通过规模效益进一步推进成本的降低。

人们研制和开发了独立并网的光-电直接转换太阳能发电系统。在利用并网光伏发电系统后，在有太阳光照射时，光伏发电系统向电网馈电，而在阴雨天或夜晚光伏发电系统不能满足负载需要时，负载转为由电网供电。这样就可以很大程度解决夏季发电量浪费，冬季对负载供电不足的问题，这为农村能源的有效利用揭开了新的篇章。太阳能光伏发电产业作为安全可靠，清洁无污染的新能源在农村的地区应用具有广阔的前景，为了发挥农村光伏发电系统的有效性，有必要设计一套农村住宅光伏发电监管系统，实现农村住宅光伏发电电量有效管理和合理分配。

并且本课题主要从功率检测追踪、电源切换控制等角度来进行研究设计，所设计的系统主要有检测单元、反馈单元、控制单元、输出显示单元、执行单元以及一些保护电路构成。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

设计一个农村住宅光伏发电监管系统，实现农村住宅光伏发电合理利用和有效控制；该系统应包括：光伏发电和住宅用电状态检定单元、蓄电池和市电状态检定单元、单片机匹配控制单元、多电源切换及调整单元、市电并网调整单元、lcd显示单元；蓄电池充电保护单元。完成的功能：光照度、电压、电流、功率及相角的数据采集、显示、运算处理、按需要控制输出量；电路原理图和硬件电路图设计；软件编程及功能调试。

预期目标：

（1）电压，电流信号的数据采集及显示，并计算相应的功率，相角

3. 研究的方法与步骤

农村住宅光伏发电监管系统硬件结构图如图1 所示，当单片机启动之后，数据采集模块开始工作，采集电压电流信号，光照强度等，经由微处理器和相应的预设值进行比对。电源切换模块主要负责电源切换通过对当前光照情况，蓄电池储能情况以及农村住宅用电情况进行分析，选择合适的电源供电以达到能源的合理运用，当无供电信号时进行停电报警，实时监控。蓄电池充电模块的主要作用是对蓄电池的充电进行调整，起到保护蓄电池，延长蓄电池寿命的作用。节电反馈模块通过统计所有的供电，结合输入的电价分析节电利润。

图1 农村住宅光伏发电监管硬件系统

农村住宅光伏发电监管系统的软件结构图如图2所示，软件流程如下：单片机上电初始化微处理器之后，光敏传感器开始检测当前光照强度并实时传送给单片机分析当前光照情况，蓄电池的电压信号和电流信号直接由a/d转换模块进入单片机并分析出蓄电池储能情况，住宅用电情况通过连续15min的电压电流信号采样来判断用电高峰与否，同时通过比对光伏发电的电压信号和蓄电池放电电压，以及两者之间的占空比后后选择合适的充电方式。单片机通过和预设的值进行比较来判断选择何种供电电源，当光照充足时，基于农村住宅用电程度有限，选择并网光伏发电供能即可；当光照不足，住宅用电低峰，蓄电池储能充足时，选择蓄电池供能；其余情况选择市电供能。系统中只要用户用电正常，则持续监测；一旦发生停电情况，则先产生报警，接着先持续判断供电是否正常。而蓄电池的充电情况则通过比较光伏发电的电压和蓄电池放电电压来进行判断，当光伏发电电压大于蓄电池电压时，对蓄电池进行充电，当两者电压相等时，比较两者的占空比，占空比10%时采用恒压充电，否则采用浮充电的方式，以此来延长蓄电池使用寿命。最后统计节电，反馈光伏发电带来的利润。

4. 参考文献

[1] opal-rt inc.rt-lab version8.3.6 user guide.canada.opal-rt inc.2009

[2] 系统建模与仿真，张晓华主编. 清华大学出版社.2006.

[3] 步进电机应用技术，坂本正文著.科学出版社.2010.

[4] 单片机应用的系统设计与产品开发，冯建华等著.人民邮电出版社.2004.

5. 计划与进度安排

（1）2022.2.20—2022.3.19查阅资料，撰写开题报告；

（2）2022.3.20—2022.4.9 硬件功能分析，熟悉mcs-51系统指令及编程语言；

（3）2022.4.10—2022.4.23设计电路原理图、编制应用程序；

（4）2022.4.24—2022.5.21 系统调试及改进；