摘 要

光伏电池发电一直是最具有吸引力、更新最为频繁、应用前景最广阔的研究领域，而光伏阵列是光伏电站最主要的器件，它可以实现能量的转化，即把太阳光能转化为电能，其效率直接影响到光伏电站性能和发电成本。提高光伏系统的能量转化效率和削减发电成本一直是光伏系统的优化重点。而实际使用中，光伏阵列往往是工作于复杂光照度、温度和湿度的环境中，理论等效电路模型并不能完全反映阵列的实时工作状态，所以为了实时掌握阵列的工作性能，我们需要利用光伏电池的数据采集系统对其实行现场监测。

为了了解周围环境对光伏电池工作的影响，提高太阳光能的利用率，就要获得光伏阵列所在环境的各种参数以及相应环境下的输出特性。本数据采集系统的主要工作有两个方面：第一，获得光伏电池周围各种气象因素的实时数据，具体包括温度数据、湿度数据、光照度数据。第二，测量负载两端的电压和流过负载的电流，获得光伏阵列的I-V特性曲线，进而获得P-V特性曲线。本设计以STC89C52单片机为核心，利用功率MOSFET线性区特性作为光伏电池的可变电子负载，单片机改变功率MOSFET栅极电压值，同时对光伏电池电流电压进行采样并对其进行A/D转换。本设计采用DHT11和GY-30两款数字传感器直接获取温度、湿度和光照度环境参数，并通过LCD1602液晶显示相关的数据信息。

该光伏电池数据采集系统具有体积小、成本低、操作简单、测试过程可控等优点，能够稳定的完成光伏电池相关数据的采集，具有一定的使用价值。

关键词：光伏电池；数据采集；液晶显示；单片机

Abstract

Photovoltaic（PV） has been the fastest growing and most promising research field suction, and the PV array is the core of photovoltaic power generation device, it can achieve energy conversion, that convert solar energy to electrical energy .conversion efficiency will determine the PV plant performance and production costs. Improve the conversion efficiency of the photovoltaic system and reduce the cost of production has been a research focus of the PV system. In actual use, photovoltaic cells often work under complex conditions of light, temperature and humidity, the theoretical model does not reflect the actual situation of the photovoltaic cell, so in order to real-time control performance of photovoltaic cells, we need to use photovoltaic cell data acquisition PV system field test.

To understand the impact of the environment on photovoltaic cells work, improve the conversion efficiency of photovoltaic cells, various parameters required to obtain the output characteristics of photovoltaic cells and the corresponding environment where the environment under. The main work of the data acquisition system has two aspects: first, to get the various parameters of photovoltaic cells surrounding environment, including temperature, humidity, light intensity. Second, measuring voltage and current of the photovoltaic cell, thereby obtaining the output characteristic curve of the photovoltaic cell. This design STC89C52 microcontroller core, the use of piezoresistive control characteristics of power MOSFET as a variable load photovoltaic cells, microcontroller change the power MOSFET gate voltage, while the current photovoltaic cell voltage is sampled and its digital to analog conversion. This design uses DHT11 GY-30 and direct access to two digital sensor temperature, humidity and light of environmental parameters, and through the LCD1602 LCD-related data.

The photovoltaic cell data acquisition system with small size, low cost, simple operation, testing, process control, etc., to stabilize the complete collection of data related to photovoltaic cells, has a certain value.

Key Words：Photovoltaic cells; Data acquisition; Liquid crystal display; Single chip microcomputer

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外光伏发电应用现状 1

1.3 课题研究意义 2

1.4 课题主要内容和论文结构 2

第2章 光伏电池基本原理 4

2.1 光伏阵列的基本原理 4

2.1.1 光伏效应 4

2.1.2光伏电池组件 5

2.2 光伏电池的模型 5

2.3 光伏电池的输出特性 6

2.4 光伏阵列测试方法 8

2.4.1 可变电阻器测试方法 8

2.4.2 动态电容充电测试方法 9

2.4.3 可变电子负载测试方法 10

2.5 本章小结 11

第3章 硬件电路设计 12

3.1 需求分析 12

3.2 整体框架 12

3.3 单片机电路 13

3.3.1 方案论证与选型 13

3.3.2 单片机最小系统 13

3.4 温湿度采集电路 14

3.4.1 方案论证与选型 14

3.4.2 温湿度采集电路设计 15

3.5 光照度采集电路 15

3.5.1 方案论证与选型 15

3.5.2 光照度采集电路设计 16

3.6 数据显示电路 17

3.6.1 方案论证与选型 17

3.6.2 数据显示电路设计 18

3.7 模数转换电路 18

3.7.1 方案论证与选型 18

3.7.2 模数转换电路设计 19

3.8 电压电流采样电路 20

3.9 电子负载电路 20

3.9.1 方案论证与选型 20

3.9.2 电子负载电路设计 21

3.10 本章小结 21

第4章 软件程序设计 22

4.1 软件程序总体框架 22

4.2温湿度信号采集子程序 23

4.3 光照度子程序设计 24

4.4 显示模块子程序 25

4.5 串口模块子程序 26

4.6 仿真与调试 27

4.7 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景

由于传统化石能源的消耗不断增加以及由此带来的温室效应等环境问题，寻找清洁的、可持续的新能源来代替化石能源已成为人类亟需解决的问题。传统意义上的清洁新能源包括：太阳能、氢能、生物质能、核能、地热能、潮汐能等，其中因太阳能具有分布广泛、储存量巨大、安全无害、清洁环保等的特点，因此其最有潜力成为未来大规模应用的清洁新能源之一。

由于整个光伏阵列发电系统全部由电子元器件组成，不包含任何运动的部件，所以光伏发电设备不易于损坏、便于维护，可以工作在无人值守的条件下。同时还具有建设周期短、不会产生任何废弃物、零污染、零噪声，并且太阳能资源没有地域限制，随地可取，可就近供电，避免长距离传输线上的能量损耗。所以，在近些年的太阳光能应用方面，光伏电池发电一直是最具有吸引力、更新最为频繁、应用前景最广阔的探索方向。

1.2 国内外光伏发电应用现状

当前，光伏发电凭借着其绿色、无污染、能源存储量无限大等特有的优点，在全球能源结构中初具规模，并且有着比重持续增大的趋势。全球太阳能光伏发电年增长量从2011和2012年的30GW左右，到2013年迅速增长到37.6GW，再到2014年的38.7GW，总量持续增长的同时，增长速度也不断的刷新着记录^[1]。虽然近年来欧洲地区光伏产业增速有所缓慢，但是非欧洲国家的光伏市场却迅速增长，早在2013年亚洲光伏市场全球比重就达到了56%，一举超越了欧洲。从全球范围来看，光伏产业在新能源利用中的比例持续上涨。并且，光伏发电的巨大潜力和所带来的经济效益和社会效益引起了越来越多的国家和地区的关注。