太阳能充电器电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能充电器电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了 17KW 和 7KW的光伏发电屋顶系统。 1999 年，我国光 伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室，但在 2020 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。 为了推动光伏技术及其产业发展， 2020 年 10 月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资 100 亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到 2020 年全国光伏发电系统总装机容量达到 300MW。 至 2020年底，我国光伏产业总的生产能力达到 38MW，太阳能电池 /组件的实际生产量达到 13MW。 在市场方面，截至 2020 年底我国光伏系统累计装机容量达到 45MW。 2020 年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达 1 兆瓦，年发电能力约为 100 万千瓦时； 2020 年北京奥运会，国家计划太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现； 2020年 2 月 28 日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》 4 自 2020 年 1 月 1 日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用 [5,6]。 我国光伏产业在满足国内市场需要和提高 边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。 但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。 首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。 因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。 光伏 发电市场需求 近 2年来，太阳能光伏发电受到各国的高度重视。 世界光伏发电产业发展迅速，一直保持着加速发展的势头。 近 10 年太阳电池组件生产的年平均增长率达到 33%，最近 5 年的年平均增长率达到 43%，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。 2020 年 11 月 23 日 ，国际咨询公司 Frostamp。 Sullivan 发表研究报告认为，未来一段时间光伏材料市场将快速增长，预计在 2020 年，光伏材料的市场总价值将达到 亿美元，年增长率将达到 %，为近几年内最高。 同时，国内数齐鲁工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 5 家券商发布研究报告认为， 2020 年下半年起光伏产业从上游多晶硅到下游组件普遍进入大规模扩产周期，将带来对各种上游设备、中间材料需求的提升，其中包括晶硅生产中所需的铸锭炉以及晶硅切割过程中的耗材，刃料和切割液等。 我国当前最大的光电市场仍然是通信领域，包括微波中断站、卫星通信地面站、卫星电视接收差转系统 、程控电话交换机、部队通讯台站等，目前的市场占有率在 50%左右。 通过“九五”期间的努力，以及各种各样国内、国际合作项目的示范和推动，使偏僻边远地区供电的光伏发电应用领域得到了进一步扩大。 包括独立光伏电站和户用光伏电源系统在内，其市场占有率已由以前的约 20%上升到 30%以上。 “九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站 400 余座，装机总容量 600kW 左右，推广应用家用光伏电源系统约 15万套，并在约 80 所农村学校建立了总功率 100kW 左右的光伏发电系统。 光伏系统的工作原理与组成 光伏系统的工 作原理 白天，在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。 再通过充电器控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。 晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电流，通过逆变器的作用进行供电。 蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。 光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用 [7]。 光伏 系统 的 组成 光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器 、交流配电柜等设备组成，其各部分设备的作用如下。 （ 1） 太阳能电池方阵 在有光照（无论是太阳光，还是其他发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光电效应”，这就是“光生伏打效应”。 在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换为电能，是能量转换的条件。 太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。 （ 2） 蓄电池组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。 太阳能电池发电对所用蓄电池的基本要求是： 1） 自放电率低； 2） 使用寿命长； 3） 深放电效率高； 4） 充电效率高； 齐鲁工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 6 5） 少维护或免维护； 6） 工作温度范围宽； 7） 价格低廉。 目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池是铅酸蓄电池和铬镍蓄电池等。 配套 200A h以上的铅酸蓄电池，一般选用固定或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为 2V（ DC）；配套 200A h以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为 12V（ DC）。 （ 3） 充放电控制器 是能自动防止蓄电池过冲和过放电的设备。 由于蓄电池的循环充放电次数及放 电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电控制器是必不可少的设备。 （ 4） 逆变器 是将直流电转换成交流电的设备。 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。 逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。 逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。 方形逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。 正 弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。 逆变器保护功能：过载保护；短路保护；接反保护；欠压保护；过压保护；过热保护。 （ 5） 交流配电柜 其在电站系统中的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还可对线路电能进行计量 [8]。 本章小结 本章主要介绍太阳能充电器电路设计的课题背景能源危机及环境污染问题，太阳能的开发和利用，以及我国太阳能的资源状况。 通过分析国内外光伏发电产业现状和市场需求分析，了解光伏发电未来产业前景。 第二章 太阳能电池和单片机 太阳能电池 太 阳能电池原理 、分类和保护 （ 1）太阳能电池原理 太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。 当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。 被吸收的光，当然有一齐鲁工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 7 些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子 空穴对。 这样，光能就以产生电子 空穴对的形式转变为电能。 薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。 太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。 对于半导体 、 PN 结，光伏效应更明显。 因此，太阳能光伏电池都是由半导体 构成的。 太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。 当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子 电子和空穴。 半导体内在 P型和 N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向 N区，空穴驱向 P区，从而使得 N区有过剩的电子， P区有过剩的空穴，在 PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。 光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使 P型层带正电， N型层带负电，在 N区与 P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。 若分别在 P型层和 N型层焊上金属引线，接通负载， 则外电路便有电流通过。 如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。 这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。 （ 2）太阳能电池的种类 太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。 太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。 它的尺寸约 4平方厘米到 100 平方厘米。 太阳能电池单体工作电压为 伏，一般不能单独作为电 源使用。 将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。 它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。 太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵。 它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。 常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池 :单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。 这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要 求 %。 为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。 单晶硅太阳能电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高，最高的达到 24%。 目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。 这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约 12%左右，稍低于单晶硅 太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因齐鲁工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 8 此得到大量发展。 （ 3）太阳能电池的保护 光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件 (俗称太阳能板 )的保护。 这种保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。 机械化学方面的保护是指在封装及安装太阳能板的时候要考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力电方面的太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。 在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量。 被屏蔽的太阳 能电池组件将发热，这叫热斑效应。 为了防止太阳能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。 在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，其作用是避免由于太阳能板在阴雨天和夜间不发电时，或太阳能板出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能板放电。 防反充二极管串联在太阳能板中起单向导电作用。 太阳能电池的等效电路 太阳能电池是一种典型的非线性元件，为了描述电池的工作状态可将电池用一等效电路来描述，电路如图 21所示。 图 21 太阳能电池等效电路 图中，太阳能电池等效电路由 4个部分组成：电池的光电流 Isc， PN 结的非线性电阻 Rj，串联电阻 RS，和旁漏电阻 Rsh， R是电池外的负载电阻。 Rs主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。 Rsh为旁漏电阻，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起。 理想的太阳能电池， RS很小，Rsh很大 [11]。 由于 RS， Rsh分别串联与并联在电路中，进行理想计算时，可以忽略不计。 当光照恒定时，由于光生电流 Isc不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。 光伏电池的两端接入负 载 R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压 V。 负载端电压反作用于光伏电池的PN结上，产生一股与光生电流方向相反的电流 ID。 齐鲁工业大学 2020届本科生毕业设计（论文） 9 电池的光电流 Isc是当 RL=0Ω时，所测的电池两端的短路电流。 Isc的值与太阳能电池的面积大小有关。 面积越大， Isc值越大。 此外对于同一块太阳能电池，Isc值还与入射光的辐射度有关。 一般来说，短路电流 Isc值随照射到硅太阳能板上的光强的增加而成正比例的增加。 当温度升高时， Isc值略有上升。 当 RL趋于无穷大时，测得的太阳能电池两端的电压为电池的开路电压 VOC。 太阳能电池的开路电压与光谱照度有关，当入射光辐射照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。 太阳能电池板的输出特性 受到光照、电池阵列结温及负载的影响，太阳能电池输出电压和电流也随之发生改变 [11]。 一定光照强度下，太阳能电池的输出电流 I与电池端电压 V的关系 IV 特性曲线如图 22所示。 图 22 太阳能电池的 IV特性关系曲线 曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电 流和工作电压。 工作电流和工作电压之乘积： P=IV 即为 电池的输出功率。 由此可绘出 PV特性曲线如图 23，在 PV特性曲线上最大功率点即电压和电流的最佳汇合点 Pm。 原则上讲，可对。