高效太陽能充電系統(tǒng)的研究

1、浙江省大學(xué)生物理創(chuàng)新競賽“科技創(chuàng)新競賽”參賽作品（論文）高效太陽能充電系統(tǒng)的研究浙江工商大學(xué)通信0802李瑩通信0802網(wǎng)絡(luò)0801湯淇裴優(yōu)敏高效太陽能充電系統(tǒng)的研究李瑩 湯淇 裴優(yōu)敏（浙江工商大學(xué)）摘要：介紹-種利用升壓和降壓模塊的電路，對光伏板的輸出電壓進(jìn)行自動調(diào)整，能夠 高效地給蓄電池進(jìn)行充電。論述系統(tǒng)在強(qiáng)光和弱光下均能穩(wěn)定地對蓄電池進(jìn)行充電的電 路調(diào)節(jié)原理，較好地解決了傳統(tǒng)上利用電阻調(diào)壓的高損耗問題。運(yùn)用電感、電容等儲能 元件，真正做到了在調(diào)壓過程中的低消耗，達(dá)到了高效充電的目的。通過對相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)的分析，證明了該高效太陽能充電系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢。關(guān)鍵字：太陽能高效升壓降壓rese

2、arch on efficient solar battery systemli ying tang qi pei you-min(zhengjiang gongshang university)abstract: we put forward a system which uses booster module and step-down module to adjust the output voltage of solar battery to achieve the goal of charging for battery effectively. this system can ch

3、arge the battery steadily in both glare and weak light. besides, it solves the problem of high voltage loss in traditional equipment which uses resistances only. instead of resistances, we use electrical inductance and capacitance storage devices, etc. through the analysis of experimental data, we p

4、rove the features and application advantages of this efficient solar battery system.key words: solar energy efficient booster step-down1 物理背景人類尋找新能源的工作已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺 迫使人們要更加努力的尋找和開發(fā)新能源。在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然 的把目光投向了各種可再生的替代能源。眾所周知，照射在地球上的太陽能非常巨大， 大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費(fèi)。而且太 陽能發(fā)電絕對干

5、凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。太陽能是一種輻射能，太陽能發(fā)電意味著要將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能，它必須借助 于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。太陽能電池（即光伏板）是一種對光有響應(yīng)并能將光 能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅, 神化稼，硒鋼銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光伏發(fā)電過程。p型 晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得n型硅，形成pn結(jié)。當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅 原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在p-n結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接 通電路時，在該屯壓的作用下，將會有電流流過外部電

6、路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過 程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。2 工作原理高效太陽能充電系統(tǒng)的工作框如圖1所示,主要由光伏板、控制繼電器、光伏檢測電路、升壓和降壓電路及蓄電池等組成。光圖1 系統(tǒng)工作框圖當(dāng)光照比較弱時，光伏板輸出電壓在2v-6.5v左右時，升壓電路工作，輸出穩(wěn)定的6.5v電壓，對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)光照比較強(qiáng)時，光伏板的輸出電壓大于6.5v時，降壓電路工作，輸岀穩(wěn)定的6.5v電壓，對蓄電池進(jìn)行充電。因此，不管在強(qiáng)光還是弱光下，電路都能對蓄電池進(jìn)行充電，在很大程度上提高了太陽能的利用率。3.系統(tǒng)工作分析1）光伏板輸岀電壓檢測及功能切換電路圖2 光伏板輸出電壓檢測電路圖圖2所示

7、電路用來調(diào)節(jié)繼電器的內(nèi)控制開關(guān)的吸合與斷開。人為繼電器，1、2腳為 繼電器內(nèi)線圈，4腳是常開引腳，接降壓電路，5腳是常閉引腳，接升壓電路。插座丿戸 接光伏板，光伏板輸岀電壓h”，經(jīng)過r、忌、尺3分壓，為tl431的輸入電壓（即/?3r兩端的電壓），當(dāng)大于71431內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5v,即x匕2.5v吋,71431k + & + &飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，繼電器內(nèi)常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，接降壓電路。發(fā) 光二極管°。起指示作用。2）升壓電路圖3升圧電路當(dāng)繼電器線圈兩端電壓不滿足吸合條件時，繼電器內(nèi)常閉觸點(diǎn)閉合，常開觸點(diǎn)斷開, 接升壓電路，如圖3示，當(dāng)有電壓輸入?yún)迹?

8、導(dǎo)通，提供02個正向偏置電壓，繼而 導(dǎo)通，電流流過電感厶1,厶1開始儲能，當(dāng)厶1達(dá)到磁飽和時，流過它的電流發(fā)牛跳變, a的集電極電壓上升，由于c?的耦合作用，©基極電壓也隨著跳變，a由導(dǎo)通變?yōu)榻?止，也隨之截止。由于厶的電流方向不能突變（自左向右），電流經(jīng)過d、給電 池充電（厶1釋放能量），匕“二匕+匕（左負(fù)右正）勺，當(dāng)匕時，導(dǎo)通，給 0基極提供正向偏置，繼續(xù)維持0的截止?fàn)顟B(tài)。隨著流過厶的電流減小，w也隨著減 小，0的基極電壓減小，進(jìn)而0又導(dǎo)通，流過厶的電流增大，厶重新進(jìn)入儲能狀態(tài)； 重復(fù)上述過程，將在一定范圍內(nèi)波動。輸出電壓匕“二匕+匕-川。二級管dl起防倒 灌作用。3）降壓電路蓄

9、電池充電電路分析，如圖4所示，當(dāng)開關(guān)閉合時，有電流流過厶2,且逐漸增大， 厶2進(jìn)行儲能，此過程對c4和蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)w的電壓增加到一定值時，斷開開關(guān), 由于厶2的電流方向不能突變（自左向右），對此電流進(jìn)行續(xù)流，厶2的電流逐漸減小， 此時c4對外放電，經(jīng)過6對蓄電池充電。圖4蓄電池充電電路分析圖當(dāng)m減小到一定值時，再閉合開關(guān)，流過厶2的電流繼而增大，重復(fù)上述過程?？?見，圖4電路的充電電壓m將在一定范圍內(nèi)上下波動。圖4中開關(guān)可用脈沖波代替，脈沖波的高電平相當(dāng)于開關(guān)閉合，脈沖波的低電平相 當(dāng)于開關(guān)斷開。此脈沖波可由圖5示電路提供。如圖5示，為一鋸齒波電壓，電路導(dǎo)通時，電壓比較器正極電壓為，負(fù)極

10、為 0v,所以電壓比較器7腳輸出高電壓（冷），三極管04、幺導(dǎo)通，此時vvin1.4v, a、q5未達(dá)到深度飽和。2、川2和c3組成自舉電路，將a基極電壓升至2vin1.4v , a、a達(dá)到深度飽和，a集電極與發(fā)射極壓差降至o.3v。隨著電感厶2電流的逐漸增大, 電壓/也隨之增大，電壓比較器負(fù)極電壓增大。當(dāng)比較器負(fù)極電壓大于正極電壓時, 比較器7腳輸出低電壓（如圖6所示），三極管04、幺隨z截止。由于電感電流不能發(fā) 生突變，二極管06對電路續(xù)流，電容c4開始放電，繼續(xù)對蓄電池充電。而隨著電感厶2 的電流減小，電壓也隨之減小，電壓比較器負(fù)極電壓減小，比較器正極電壓為鋸 齒波電壓，會上下波動，當(dāng)比

11、較器負(fù)極電壓又小于正極電壓vc時，比較器7腳輸出高 電壓（如圖6所示），三極管幺、05導(dǎo)通，重復(fù)上述過程，電壓會穩(wěn)定在一個較小 的范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了圖4所示的功能。圖6電壓比較器電壓波形圖5中輸入的鋸齒波電壓可由圖7所示電路提供。如圖7所示，忌、屁和ds起穩(wěn)壓作用，給比較器的3腳提供一個穩(wěn)定的電壓。當(dāng) 有電壓輸入時，電流流過為和用0對電容c5充電，匕逐漸增大，此吋，比較器1腳輸出高電平（匕），進(jìn)而對c5充電。當(dāng)冬增加到一定值，使得 （即冬）>%時,比較器1腳輸出低電平（ov）, c5開始放電，冬逐漸減小，當(dāng)（即冬）v%時，比較器1腳輸出高電平（匕），此時v, >v ,又重新對c5充電

12、，重復(fù)上述過程，冬將在一 定范圍內(nèi)波動（如圖8所示）。圖8輸出鋸齒波波形綜上所述，即可得系統(tǒng)降壓電路如圖9所示，當(dāng)繼電器線圈兩端電壓滿足吸合條件時，其內(nèi)控制開關(guān)處于吸合狀態(tài)，接降壓電路（即圖9）。4 技術(shù)分析在一般的太陽能充電系統(tǒng)中，光伏板只能工作在一定的光強(qiáng)下，當(dāng)太陽光大于此光 強(qiáng)時，光伏板能夠輸出一個大于蓄屯池充屯屯壓的屯壓，經(jīng)過控制電路的作用，能夠?qū)?蓄電池進(jìn)行充電。但當(dāng)太陽光小于此光強(qiáng)時，光伏板輸出電壓小于蓄電池充電電壓，此 時控制電路的作用并不能滿足蓄電池的充電要求。而在利用光伏板對蓄電池充電的過程 屮，由于太陽光照強(qiáng)度的限制，光伏板的輸出電壓并不能時刻滿足蓄電池的充電要求， 蓄電池

13、會時常處于充電中斷狀態(tài)，這既不利于蓄電池的利用，又是對于太陽光能的極大 浪費(fèi)，而且一般的太陽能充電器功耗較大?；谖覀冄芯康母咝С潆娤到y(tǒng)，我們對其進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測量，具體如下：利用直 流穩(wěn)壓電源模擬光伏板對蓄電池充電時，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1示。表1直流穩(wěn)壓電源模擬光伏板對蓄電池充電時相關(guān)數(shù)據(jù)記錄表*電路輸入電繼電器工作二極管工作電流表示數(shù)電路板輸111蓄電池充電電路板空載壓狀態(tài)狀態(tài)電壓電壓輸出電壓/v/ma/v/v/v2.17常閉不亮06.5186.5186.6743.64常閉不亮2.56.5226.5206.7145.513常閉不亮76.5306.5236.8206.308常閉不亮76.5356.

14、5296.8657.670吸合06.5296.5296.6018.257吸合亮06.5626.5616.5909.311吸合亮856.7146.6336.698由上表分析可得，在電路輸入壓較小的時候，對應(yīng)于光照強(qiáng)度較弱時光伏板的輸岀, 電路工作在升壓裝置。第一組數(shù)據(jù)由于電流較小，電流表的量程較大，幾乎沒有示數(shù)。 隨著輸入電壓的增大，相當(dāng)于光照強(qiáng)度加強(qiáng)，電路輸岀的電壓穩(wěn)定在6.5v左右。當(dāng)輸 入電壓加大到一定值時，繼電器吸合，電路工作在降壓充電裝置，輸岀電壓穩(wěn)定在6.5v 左右。繼電器剛剛吸合時，由于電流較小，電流表的量程較大，幾乎沒有示數(shù)?？梢?，我們研究的高效太陽能充電系統(tǒng)能夠在強(qiáng)弱光下都能給

15、蓄電池提供一個穩(wěn)定 的電壓，對其進(jìn)行充電，而且充電過程中功耗較小，這就克服了一般太陽能充電器在弱 光下不能對蓄電池進(jìn)行充電的弊端，大大提高了太陽能的利用率。5.應(yīng)用前景太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網(wǎng)電站、建筑一 體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風(fēng)光互補(bǔ)路燈、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)等，應(yīng)該說太陽能電流表的量程為0100ma,蓄電池的電壓為6.5v 的使用已經(jīng)進(jìn)入了我們生活的每一部分。我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長。最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增 長率高達(dá)49.8%以上。按照日木新能源計(jì)劃、歐盟可再牛能源白皮書、美國光伏計(jì)劃等 推算，2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)

16、容量將達(dá)到15gw （1500萬千瓦，屆時仍不到全 球發(fā)電總裝機(jī)容量的1%）,至2030年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到300gw （屆時整個 產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元），至2040年光伏發(fā)電將達(dá)到全球發(fā)電總量的 15%20%。按此計(jì)劃推算，2010-2040 光伏行業(yè)的復(fù)合增長率將高達(dá)25%以上。其 中并網(wǎng)應(yīng)用會有較大的發(fā)展，從而形成并網(wǎng)發(fā)電（約46%）、離網(wǎng)供電（約27%）和通 訊機(jī)站（約21%） 3個主要應(yīng)用領(lǐng)域，光伏產(chǎn)業(yè)擁有很好的發(fā)展前景。世界上太陽能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價格的上漲， 這樣的形勢就更加需要我們改進(jìn)技術(shù)，提高太陽能的使用效率。該系統(tǒng)通過電

17、路的設(shè)計(jì) 對電壓的調(diào)整，不管在強(qiáng)光還是弱光下，都能利用光伏板對蓄電池進(jìn)行充電，在很大程 度上提高了太陽能的利用率。此外，該系統(tǒng)還能利用到并網(wǎng)發(fā)電中，大大提高太陽能發(fā) 電的效率。冃前提岀了低碳型社會，提倡清潔無污染的能源，對太陽能的利用勢必會更加看重 與増大投入。社會上已經(jīng)出現(xiàn)了以電力驅(qū)動的交通工具，但由于蓄電池儲存電能有限， 當(dāng)交通工具長時間處于運(yùn)行狀態(tài)時，中途對蓄電池充電成為很不方便的因素，我們的太 陽能充電系統(tǒng)不僅能適時的對蓄電池進(jìn)行充電，而h由于他在較弱光強(qiáng)下也能對太陽能 加以利用，減少了充電時間，擴(kuò)大了其工作范圍，同時可以在交通工具工作時對蓄電池 充電，大大提高了交通工具的工作效率。此系統(tǒng)對家庭小型太陽能發(fā)電裝置等也很有現(xiàn)實(shí)利用價值。綜上所述，該系統(tǒng)的應(yīng)用前景是相當(dāng)可觀的。6.結(jié)