【正文】 開發(fā)和利用光伏能源，各國政府出臺了各種鼓勵政策以推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其以美國、德國等一些西方發(fā)達(dá)國家為主。德國率先推出“1000太陽能屋頂計劃”，美國也在1997年提出“百萬屋頂計劃”，并制定相關(guān)的財政補(bǔ)貼政策，此后，意大利、法國、西班牙荷蘭等國家也紛紛出臺政策以鼓勵、促進(jìn)太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。使得其應(yīng)用范圍遍及到幾乎所有的用電領(lǐng)域。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷地提高，晶體硅的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%，%，砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率是25%，特別是新型的薄膜太陽能電池由于用硅量只有硅片電池的1/100，加工工藝簡化，可以大大縮短能量返還的時間，提高能量的再生比。 課題研究的主要內(nèi)容本文在對太陽能手機(jī)充電器進(jìn)行了理論研究與計算機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種太陽能手機(jī)充電器，即基于集成芯片的太陽能手機(jī)充電器與基于MPPT的太陽能手機(jī)充電器。對兩種太陽能手機(jī)充電器設(shè)計方案進(jìn)行了比對，闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。并且在硬件電路與軟件程序方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器應(yīng)具備的基本功能。還應(yīng)用MATLAB仿真軟件對電路進(jìn)行了仿真研究。 本章小結(jié)本章主要從太陽能與手機(jī)充電器研究的背景和意義、太陽能產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀以及手機(jī)充電器的市場分析幾個方面介紹了本文所設(shè)計的太陽能手機(jī)充電器的研究意義與價值，并且說明了本文設(shè)計的主要內(nèi)容。3 第2章 太陽能電池與蓄電池論述 第2章 太陽能電池與蓄電池的論述 太陽能電池的研究 太陽能電池的工作原理太陽能電池是以半導(dǎo)體PN結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器件。太陽能電池的組成材料是半導(dǎo)體，其中硅應(yīng)用的最為廣泛。其工作原理是：當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體吸收光能，并且產(chǎn)生許多光電子空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)的電場的作用下，光生電子和空穴被分離，半導(dǎo)體兩端出現(xiàn)異種電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。如果在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有光生電流流過，從而獲得了功率的輸出[3]。這樣，太陽能通過太陽能電池就轉(zhuǎn)換為了可以使用的電能。當(dāng)把很多光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，就構(gòu)成了光伏電池組件，經(jīng)過封裝就成為了常見的太陽能電池板，可以在太陽光的作用下輸出功率滿足特定場合的需求的電能。 太陽能電池的等效電路光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作PN結(jié)型二極管，其等效電路由光生電流源及一系列電阻組成，如圖21所示。圖21 太陽能電池等效電路圖5 用公式表示太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為： (21) (22) 式中 Iph——光生電流，(A)； Io——二極管反向飽和電流，(A)； q——電子電荷(109C)； K——玻爾茲曼常數(shù)(1023J/K)； T——絕對溫度，(K)； A——PN結(jié)的曲線常數(shù)；當(dāng)光照條件與溫度一定時，根據(jù)公式(22)得到太陽能電池的IV特性曲線與PV特性曲線，如圖22所示[4]。 圖22(a) 太陽能電池的IV特性曲線圖22(b)太陽能電池的PV特性曲線V 由圖22可以得到太陽能電池的幾個重要的參數(shù)：短路電流(Isc)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流；開路電壓(Voc)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓；最大功率點(diǎn)電流(Im)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下相對于最大功率點(diǎn)的電流；最大功率點(diǎn)電壓(Vm)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下相對于最大功率點(diǎn)的電壓；最大功率點(diǎn)功率(Pm)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下輸出的最大功率。 太陽能電池的輸出特性太陽能電池的輸出特性受多種外界因素的影響，尤其是光照強(qiáng)度和溫度。太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化曲線如圖23所示，太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨溫度的變化曲線如圖24所示。 圖23(a) 太陽能電池在25℃下不同光照強(qiáng)度下的IV特性曲線圖23(b) 太陽能電池在25℃下不同光照強(qiáng)度下的PV特性曲線由圖23可以看出，短路電流隨著光照強(qiáng)度的增加而大幅增加，開路電壓隨光照強(qiáng)度的增加略有增加，所以，輸出功率是隨著光照強(qiáng)度的增加而增加的。圖24(a) 太陽能電池在S=1000W/㎡時不同溫度下的IV特性曲線圖24(b) 太陽能電池在S=1000W/㎡時不同溫度下的PV特性曲線由圖24可以看出，短路電流隨溫度的升高而略有增加，開路電壓隨溫度的升高而大幅減少，所以，輸出功率是隨著溫度的升高而降低的。 太陽能電池仿真模型的建立把式(22)進(jìn)行近似，即忽略(U+IRs)/Rsh，并且設(shè)定Iph=Isc。設(shè)在開路狀態(tài)下：I=0，V=Voc；在最大功率點(diǎn)處：V=Vm，I=Im。由上述條件可以把式(22)化簡為： (23)在最大功率點(diǎn)處有：7 (24)在常溫條件下：exp[Vm/(C2Voc)]≥1，可忽略“1”項，得出C1為： (25)在開路狀態(tài)下，把式(25)帶入式(23)得： (26) 由于exp(1/C2)≥1，可忽略“1”項，得到C2： (27)按照標(biāo)準(zhǔn)，取Sref=1000W/m2，Tref=25℃為參考光照強(qiáng)度與溫度。設(shè)T為任意光照強(qiáng)度S及任意溫度Tair下的太陽能電池的溫度，則有： (28)對于IV特性曲線上任意一點(diǎn)(V39。，I39。)有： (29) (210) (211) (212) (213)式中 α——參考光照強(qiáng)度下的電流溫度系數(shù)，(A/℃)； β——參考光照強(qiáng)度下的電壓溫度系數(shù)，(V/℃)。 根據(jù)上文中的數(shù)學(xué)模型，建立的太陽能電池的simulink模型如圖25所示。 9 圖25 simulink太陽能電池模型太陽能電池是一種非線性電源，其最大功率點(diǎn)是隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化的。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)就是要使系統(tǒng)工作點(diǎn)跟蹤最大功率的變化，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大。為了實現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，需要在太陽能電池與負(fù)載之間接入DC/DC變換器，通過對DC/DC變化器的PWM驅(qū)動。 圖26 太陽能電池最大功率跟蹤原理圖 (1)最大功率跟蹤控制算法 現(xiàn)在有多種MPPT控制的算法，電導(dǎo)增量法因其控制準(zhǔn)確，響應(yīng)速度快而得到了廣泛的應(yīng)用。 因為太陽能電池的PV曲線在最大功率點(diǎn)處的斜率是零，于是得到： (214) 即： (215)式(215)就是實現(xiàn)MPPT的條件，也就是說，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)的負(fù)值相同時，太陽能電池工作于最大工作點(diǎn)處。電導(dǎo)增量法的流程圖如圖27所示，simulink仿真模塊如圖28所示。圖27 電導(dǎo)增量法計算流程圖圖28 電導(dǎo)增量法的simulink仿真模塊 (2)升壓變換器 DC/DC變換器采用BOOST電路，太陽能電池的輸出電壓Upv就是BOOST電路的電源，設(shè)BOOST電路的輸出電壓為Uo。BOOST電路如圖29所示，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管VD關(guān)斷，電源Upv 向大電感L儲存能量，同時大電容向負(fù)載RL供電，此時Uo=Upv；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感的電流不能突變，二極管導(dǎo)通，電感與電容一起向負(fù)載供電，同時向電容充電，此時Uo=UpvUL。由上述工作原理，整理可得BOOST 電路輸入電壓Upv與輸出電壓Uo之間的關(guān)系為： (216) 輸入電流IL與輸出電流Io之間的關(guān)系為： (217)則等效電阻Req為: (218) 由式(218)可知，調(diào)節(jié)BOOST電路的開關(guān)的占空比D，就可以改變輸入阻抗的大小，當(dāng)BOOST電路的等效輸入阻抗與太陽能電池的輸出阻抗相匹配時，太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大[6]。 圖29 BOOST升壓變化器電路圖 (3)仿真結(jié)果 基于BOOST電路，對太陽能電池的最大功率跟蹤進(jìn)行simulink仿真，該仿真模塊主要包括：太陽能電池模塊、MPPT模塊、BOOST電路部分。其主要研究在不同光照強(qiáng)度與溫度下太陽能電池輸出最大功率的變化。仿真模型如圖210所示。圖210 實現(xiàn)MPPT的simulink仿真模塊設(shè)太陽能電池工作的光照強(qiáng)度與溫度的初始值分別是1000W/㎡和25℃。在仿真時間為200s時，光照強(qiáng)度變?yōu)?00W/㎡，溫度不變?yōu)?5℃；在仿真時間到達(dá)350s時，溫度變?yōu)?0℃，光照強(qiáng)度為800W/㎡。得到太陽能電池輸出的電流、電壓、功率的波形圖如圖21圖21圖213所示。 圖211 輸出電流波形圖212 輸出電壓波形 圖213 輸出功率波形 由仿真結(jié)果可以看出，在200s時，由于光照強(qiáng)度的減少，輸出電壓與輸出功率隨之降低，最后趨于穩(wěn)定，即此時輸出的功率為該條件下的最大功率；在350s時，輸出電壓與輸出功率也隨著溫度的增加而降低，最終尋得該條件的最大功率。從而驗證了電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT的正確性。 蓄電池及其充電控制 蓄電池介紹 蓄電池可以儲存白天吸收的太陽能，這樣就可以隨時為手機(jī)充電，使得太陽能手機(jī)充電器更具有實用性和便捷性?，F(xiàn)在，普遍應(yīng)用的儲能電池主要有:鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。與其他電池相比，鋰離子電池具有能量密度高、容量大、體積小、重量輕、壽命長、沒有記憶效果等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與各類電子產(chǎn)品中。因此，本設(shè)計選用鋰離子電池作為儲能蓄電池。所選鋰離子電池的特性為：，,。蓄電池作為系統(tǒng)的儲能裝置，必須對充電電流與充電電壓進(jìn)行合理的控制，才能保證電池的安全使用，提高電池的使用壽命[7]。 蓄電池充電方法 。在充電過程中充電電流始終保持不變，稱為恒定電流充電法。這種充電方法控制簡單，易于做到，適合對多個電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但是由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程而逐漸下降的，到充電后期時，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過多，因此，恒流充電法不能很好地為電池進(jìn)行充電。 。在充電過程中充電電壓始終保持不變，稱為恒定電壓充電法。隨著蓄電池兩端電壓的升高，電流逐漸減小。這種充電方法電解水很少，能夠避免蓄電池過充，但在充電初期電流過大，然后快速下降，對蓄電池壽命造成很大影響。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電壓底而充電電流大的時候使用。 。在充電初期用恒流充電的方法給蓄電池充電，當(dāng)電池兩端的電壓達(dá)到終止充電的電壓時，改用恒壓充電的方法，稱為恒流恒壓充電。在恒流充電階段電池可以快速充電，在恒壓充電階段能夠確保電池充到滿容量，這種充電方法所需充電時間短，充電效果好，能延長蓄電池使用壽命，并節(jié)省電能，充電又徹底，所以是當(dāng)前普遍使用的一種充電方法。恒流恒壓充電曲線圖如圖214所示[8]。 圖214 恒流恒壓充電曲線圖 因此，本設(shè)計選用恒流恒壓充電的方法為蓄電池進(jìn)行充電。 蓄電池充電仿真 蓄電池恒流恒壓充電方法的原理如圖215所示。圖215 蓄電池恒流恒壓充電原理框圖圖中 Ig——蓄電池恒流充電過程的電流參考值，(A)； Ug——蓄電池恒壓充電過程的電壓參考值,(V)。 利