毕业设计(论文)-智能高效太阳能电池的设计与实现(编辑修改稿)

毕业设计(论文)-智能高效太阳能电池的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

IV特性曲线 图 28 不同温度下的 PV特性曲线 综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点： ① 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源； ② 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化； ③ 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP， Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。 北华大学 本科生毕业设计（论文） 11 本章小结 本章内容主要介绍太阳能电池板的相关知识。 首先介绍了太阳能电池的原理，即太阳能电池板进行光电转换的原理；其次对太阳能电池板的等效电路进行了分析； 介绍了太阳能电池的分类； 最后结合可能影响太阳能电池板内部和外部因素对其输出特性作了分析介绍。 北华大学 本科生毕业设计（论文） 12 第 3章 蓄电池 充电技术 研究 太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳 能 电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。 蓄电池的性能和充放电的方式有很大 的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。 蓄电池的一般特性 主要参数指标 描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。 当然对于不同的蓄电池还有不同的参数，后面用到铅酸蓄电池时再详述。 下面介绍其中一些参数的概念及相互间的关系。 1 蓄电池充放电容量 蓄电池充电容量 CQ ：蓄电池充电时消耗的电量。  CtCC dtIQ 0 (31) 式中 CI 为充电电流， ct 为充电时间。 蓄电池放电容量 dQ ：完全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。 dtIQ dtdd  0 (32) 式中 dI 为放电电流， dt 为放电时间。 影响蓄电池放电容量的主要因素有： a) 放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。 b) 电解液的温度当电解液温度在 1035℃变化时，温度每升高 1℃，蓄电池容量约增加额定容量的。 通常采用 25℃下 10 小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量。 2 蓄电池效率 放电时能放出的全部电量与充 电时充入的全部电量的百分比。 可用安时效率A 或瓦时效率 W 表示，它们的关系为 北华大学 本科生毕业设计（论文） 13 %1 00  cdAccc dddw UUtUI tUI  (33) 式中 CU 和 dU 分别为蓄电池充放电时的平均电压。 3 荷电状态 (SOC) 己充电量与蓄电池额定容量的比值。 rQtQSOC )( (34) 式中 )(tQ 是蓄电池实际带电量， rQ 是额定容量。 荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。 4 放电深度 (DOD) 蓄电池放电量与额定容量的比值。 SOCDOC 1 (35) 5 蓄电池寿命 a) 浮动充电寿命：蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。 即在一个固定的浮充电压和特 定的电解液温度条件下的使用寿命。 b) 循环寿命：在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。 蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。 选择放电深度 3050%，环境温度1025℃可充分延长蓄电池使用寿命。 铅酸蓄电池的充放电特性 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（ 2PbO ），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质 氢氧化铅（  4Pb OH ），氢氧根离子在溶液中，铅离子 （ 4Pb ）留在正极板上，故正极板上缺少电子。 铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（ Pb ），与电解液中的硫酸（ 24HSO ）发生反应，变成铅离子（ 2Pb ），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（ 2e）。 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图 31 所示，两极板间就产生了一 定的电位差，这就是电池的电动势。 北华大学 本科生毕业设计（论文） 14 24H S O4Pb  2P bO Pb2OH 2H 2OH 2H  24SO 24SO 2Pb 2 图 31 铅酸蓄电池电动势产生原理 其原理可通过下面的反应方程式来表示： 负极： 2 4 4 22P b H S O P b S O H e    (38) 正极： 2 2 4 4 22 2 2P b O H S O H e P b S O H O     (39) 总反应： 2 2 4 4 22 2 2Pb PbO H SO PbSO H O    (310) 图 32 是固定放电电流下电 池端电压与放电时间的示意图。 从图可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量间存在一定的关系。 但到了放电末期，出现转折点，此时电池端电压急剧下降，这是因为电解液中，硫酸的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。 过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极 “ 硫酸盐化 ” ，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、 放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短。 北华大学 本科生毕业设计（论文） 15 图 32 铅酸电池端电压与放电时间的关系 太阳能 蓄电池充电技术研究 对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法 恒流充电 恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。 这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。 这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足 65%。 为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。 具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否 则容易损坏蓄电池。 充电过程中电压、电流变化关系如图 33 所示。 放电时间 U 电池端电压 转折点 北华大学 本科生毕业设计（论文） 16 图 33 恒流充电曲线 图 34 恒压充电曲线 恒压充电 恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。 因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。 在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。 相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电 效率可达 80%，如充电电压选择适当，可在 8 小时内完成充电。 此法的充电特性曲线如图 34 所示，此法也有其不足之处： ① 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。 ② 如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。 ③ 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。 这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系 统中蓄电池组串联不多。 恒压限流充电 恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。 它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。 IU, t IU, U II U I t 北华大学 本科生毕业设计（论文） 17 两阶段、三阶段充电 这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点 而结合的一种充电策略。 它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。 这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。 其充电特性如图 35 所示。 在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量 (当时环境条件下 )时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。 这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。 如图 35 的虚线段 fU。 本系统 采用的就是 三阶段充电阶段。 图 35 两阶段、三阶段充电曲线 快速充电 正常充电方式蓄电池从 0%到 100%容量比，一般需要 820 小时，充电时间长。 在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。 快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在 12 小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高 (一般在 45℃ 以下 )。 这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。 短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。 这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。 当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。 UU II fU IU, t 北华大学 本科生毕业设计（论文） 18 智能充电 智能充电是以美国人 （马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。 它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。 虽说可以使蓄电池的充电电流始终保持在可 接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。 但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。 因此还未见到在光伏系统中采用充电可接受电流控制的智能充电的研究报道。 本章小结 介绍了蓄电池的相关知识。 首先通过对蓄电池的概念和一般特性的介绍，使我们对蓄电池有了更多的了解； 并 结合上一章对太阳能电池板的介绍，简单的对太阳能 蓄电池充电技术作了简单的研究。 北华大学 本科生毕业设计（论文） 19 第 4章 系统硬件 设计 太阳能充 /放 电器原理 太阳能充放 /电控制器的作用是有效地控制太阳能电池板给蓄电池充电，同时控制蓄电池为负载放电，以 12V蓄电池为例，以其配套的太阳能电池板在有一定光照强度下的开路电压为 21V，接入控制器后的电压为 17V，蓄电池的电压为10~14V，不同的蓄电池其充放电特性是不同的，若为小容量蓄电池，当接通太阳能电池板与蓄电池后，蓄电池的电压会在很短的时间内被电池板充到 14V，若不加控制，蓄电池电压甚至会更高，我们判断蓄电池是否已经充满的标准就是检测蓄电池的电压值，实际上在这种方式下检测出的结果是 不准确的，因此此时检测到得蓄电池电压是虚电压，而等电池稳定后，再测量电压，会发现电压下降了许多，我们加入控制器的目的就是当检测到蓄电池电压达到一定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的 MOS 管的开关，以一种脉宽调制的方式，降低充电电流以进一步为蓄电池充电，直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值。 控制负载是需要注意，当蓄电池电压放电到一定电压值以下时，要关断负载，以保护蓄电池不能太过放电，若控制器控制充电部分电路出现问题，蓄电池电压将有可能一直被充到 16V以上，这样的电压连进负载时，极 有可能烧毁负载，因此，也要保证当蓄电池电压高于。