西南交大清洁能源住宅设计与制作报告

第二届四川省电气与自动化工程创新实验竞赛报告项目名称：清洁能源住宅的设计与制参赛院系：电气工程学院项目组成员：项目负责人电话：2017年6月四川省电气与自动化工程创新实验竞赛1项目简介：中国近来更加重视新能源技术发展。由于中国目前的能源结构很不合理，其中新能源这样的清洁能源比例偏低，而煤炭所占比例过大，石油对外依存度高，人均能源占有率低，同时能源利用率低。中国正面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。为2050年达到中等发达国家水平的目标，中国必须要选择发展新型优势产业的方向。发展新能源是目前唯一可以同时解决问题的途径。在国家“十二五”相关规划中，新能源有关的产业都被列为重点发展和战略性新兴产业而加以扶持。家庭光伏发电要求在建筑物表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组将太阳能转换成直流电，所产生的直流电经过逆变器转换成220V交流电供家庭适用。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在太阳能住宅的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题，科学合理的铺设方法对太阳能小屋的设计起着关键作用。关键词：新能源技术；光伏电池；太阳能；太阳能住宅项目创新点：在能源基础材料技术领域，研制出高温金属材料及核级材料，进一步提高光伏组件用高分子材料、储能用电极材料等技术参数，大幅降低成本，实现新型节能材料走向市场应用;掌握多种高效低成本催化材料生产技术。规划明确：突破高效太阳能电池的产业化关键技术，发展新型太阳能电池技术，持续提高光伏发电系统的能量转换效率、经济性和智能化水平;完善大型太阳能热发电站高效集热和系统集成技术，实现可全天运行的100MW级电站商业化运行。四川省电气与自动化工程创新实验竞赛2目录目录...................................................................................................................................2第一章实验背景...........................................................................................................................3第二章实验准备...........................................................................................................................42.1实验任务及目的................................................................................................................42.2实验器材.............................................................................................................................4第三章实验过程.........................................................................................................................133.1采集实验器件...................................................................................................................133.2设计电路流程图...............................................................................................................133.3设计电路图......................................................................................................................143.4制作实物..........................................................................................................................14附录：程序代码.............................................................................................................................16四川省电气与自动化工程创新实验竞赛3第一章实验背景20世纪70年代，世界各国开始积极地寻找新能源，并以此来逐渐代替传统能源，在此期间由于受石油危机的影响，西方发达国家加快了新能源的开发与利用步伐。步入21世纪以来，面对能源短缺、能源价格大幅攀升、全球气候变暖等日益严峻的形势，世界各国对新能源的需求就更为迫切。与此同时，2008年爆发的国际金融危机对全球经济的影响并未完全消退。在此背景下，新能源产业的发展势必会成为经济增长的新突破口、带动全球经济发展的新一轮复苏。作为能源消耗大国的中国，要做到缓解经济发展、环境保护和能源消费之间的矛盾，就要转变经济发展方式、坚持走新型工业化道路，大力发展新能源产业，实现经济与社会的可持续发展。中国近来更加重视新能源技术发展。由于中国目前的能源结构很不合理，其中新能源这样的清洁能源比例偏低，而煤炭所占比例过大，石油对外依存度高，人均能源占有率低，同时能源利用率低。中国正面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。为2050年达到中等发达国家水平的目标，中国必须要选择发展新型优势产业的方向。发展新能源是目前唯一可以同时解决问题的途径。在国家“十二五”相关规划中，新能源有关的产业都被列为重点发展和战略性新兴产业而加以扶持。家庭光伏发电要求在建筑物表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组将太阳能转换成直流电，所产生的直流电经过逆变器转换成220V交流电供家庭适用。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在太阳能住宅的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题，科学合理的铺设方法对太阳能小屋的设计起着关键作用。四川省电气与自动化工程创新实验竞赛4第二章实验准备2.1实验任务及目的1）设计一个清洁能源住宅：本设计为太阳能住宅，要求画出住宅的外形图，并对所设计住宅的外表面优化铺设光伏电池，给出铺设及分组连接方式，计算相应结果。2）制作一个清洁能源住宅，要求至少使住宅中的一个电器能正常使用。2.2实验器材下表所示为实验指导老师已经提供的和常用的器材。表1器材参数器件名称器件数量光伏板2块LED灯若干8路可编程控制器1个USB转串口芯片（CH340）1块导线若干焊锡1个剥线钳1个纸板若干万用表1个电烙铁1个除了上述的器件之外，我们小组还购买了现成的Boost控制芯片，以稳定光伏电池的输出电压，使其能够为蓄电池充电。1、光伏板峰值电压：5V多晶太阳能电池板峰值电流：30mA尺寸：53*30mm电线：正负极已经焊接好导线（长度约6.5cm）四川省电气与自动化工程创新实验竞赛5图1光伏板2、LED灯表2LED灯参数灯珠型号5MM白发白草帽发光二极管正向电压VF3.0—3.2V正向电流IF20MA额定功率W0.06W发光角度120度发光亮度IV1800—2000MCD发光波长NM6000-7000K引脚长度MM16—18MM工作温度60度焊接温度260度3秒芯片信息圆融7*9图2LED灯3、电池表3电池参数电池型号ICR18650外壳材质镀镍钢壳尺寸(包括PT膜)直径：18.2±0.1mm高度：65.0±0.1mm四川省电气与自动化工程创新实验竞赛6额定电压3.7V额定容量2200mAh内阻≤55mΩ充电限制电压4.20V充电条件（推荐）1000～2000mA恒流充电至4.20V恒压4.2V充电至电流小于50mA放电截止电压2.75V最大允许连续放电电流2A(1C)最大允许脉冲放电电流4A(2C)循环寿命500次（≥60%C5mAh）重量大约43g使用温度充电:-20～+50℃放电:-20～+60℃储存:-10～+50℃使用相对湿度65±20%4、控制板表4控制板参数核心芯片ATmega328运行频率16MHz闪存存储32KB（0.5KB启动容量）SRAM2KBEEPROM1KB工作电压5V输入电压（推荐）7—9V输入电压（极限）6—20V数字引脚14Pin（其中6个支持PWM）模拟引脚6Pin(输入)外部接口DC直流输入USBB型方口四川省电气与自动化工程创新实验竞赛7图3控制板5、单片机ATmega328P图4单片机ATmega328P1）单片机ATmega328P类别:集成电路(IC)核心处理器:AVR闪存容量:32KBEEPROM存储器容量:1KB时钟频率:20MHz接口类型:I2C,SPI,USART四川省电气与自动化工程创新实验竞赛8电源电压最小:1.8V最大:5.5V电源电压表面安装器件:表面安装封装类型:TQFP针脚数:32工作温度范围:-40°Cto+85°C存储器容量,RAM:2KB输入/输出线数:23模数转换器输入数:8速度:20MHz程序存储器容量:32KB(32Kx8)振荡器型:内部包装:托盘2）主要特性高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC结构131条指令—大多数指令执行时间为单个时钟周期全静态工作工作与20MHZ时性能高达20MIPS只需两个时钟周期的硬件乘法器非易失性程序和数据存储器32K字节的系统内可编程FLASH擦写寿命：10000次真正的同时读写操作1024字节的EEPROM3）外设特点两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立振荡器的实时计数器RTC六通道PWM8路10位ADC可编程的串行USART可工作于主机/从机模式的SPI串行接口面向字节的2—wire串行接口具有独立片内震器的可编程看门狗定时器片内模拟比较器引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU4）I/O封装23个课编程的I/O口线28引脚DIP，32引脚TQFP，28引脚QFN/MLF，与32引脚QFN/MLF封装工作电压：1.8—5.5V工作温度范围：-40度到85度工作速度等级：0-20MHZ@1.8—5.5V四川省电气与自动化工程创新实验竞赛9图5单片机ATmega328P实拍6、USB转串口芯片（CH340）CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口；在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。有关USB转打印口的说明请参考手册（二）CH340DS2；在红外方式下，CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器，实现SIR红外线通讯。1）封装四川省电气与自动化工程创新实验竞赛10图6封装图2）引脚表5引脚参数3）功能说明CH