【正文】 ⑤ 發(fā)電的效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變；⑥ 就地可去，無需運輸。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算器的幾個毫伏，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。由于太陽能存在上述的優(yōu)勢，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度的重視，發(fā)展很快。但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價格還比較高，不過其維修費用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價格會下降，優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)出來。 蓄電池充電系統(tǒng)[27~31]充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術近年來發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：① 限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時間，沒有次數(shù)，比如10年。這種充電模式的效果較差。② 恒流/限壓式充電器這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場近半個世紀。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。③ 自適應智能充電器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設備進入了一個全新的自適應、智能階段，即稱為第三代充電器。自適應充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進行充、放電。并且具有溫度補償功能。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機控制，不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應不同種類電池的充電，充電器自適應調(diào)整自己的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，相應的就出現(xiàn)了各種類型的充電器，以下就是一些簡單的充電器類型：普通型充電器 這是最基本和最常用的一種簡單型充電器，實際上就是一個變壓器降壓、二級管整流電路；可調(diào)型充電器 簡單地說就是電池充電可調(diào)節(jié)，它是根據(jù)充電電池的電壓來調(diào)節(jié)充電的方式；自動型充電器 顧名思義就是可以實現(xiàn)充電自動化的裝置，它分為全自動型和半自動型，大多都可以進行軟件編程，通過為處理起來實現(xiàn)特定的功能；多功能型充電器 就是可是實現(xiàn)多種功能的充電器，它的作用不僅僅局限于充電了，比如穩(wěn)壓充電器、恒流恒壓充電器，具有自檢功能的充電器、具有停電記憶充電器、帶放電功能的充電器等等；還有其他許多的充電器，比如快速型充電器、恒流型充電器、太陽能充電器，都是在充電器發(fā)展的過程中逐漸產(chǎn)生的。 太陽能充電器太陽能充電器與市面上的一般市電充電器相比有好多不相同的地方。一般的市電充電器都是在引出來電網(wǎng)電壓之后先進行降壓處理，再通過整流裝置給各種蓄電池充電，這種充電器的優(yōu)點就是當市電穩(wěn)定時它可以提供穩(wěn)定的充電平臺。太陽能充電器由太陽能電池組件或者一些其他的光伏裝置供電，輸入電壓一般都比較低，所以給蓄電池充電時可以直接連接蓄電池或者增加一級升壓裝置。另外，太陽能充電器可以很方便的攜帶，這樣它在一些比較惡劣的環(huán)境下也能夠提供充電作用。因此，太陽能充電器有著很大的發(fā)展前景。在簡單的了解了太陽能充電器與一般市電充電器的差別，但是無論在細節(jié)上有多大的差別，其總體設計思路是一樣的：都是電源供電、充電控制、蓄電池和負載這幾部分構成，圖11就表示了太陽能充電控制器的整體結構。圖11 單片機控制太陽能充電器的結構 本課題研究的主要內(nèi)容① 分析太陽能電池板和蓄電池的特性。② 根據(jù)太陽能電池輸出特性和蓄電池的特性，設計蓄電池的充電控制方法。③ 設計充電控制系統(tǒng)的外圍電路。④ 編寫單片機的執(zhí)行程序。⑤ 調(diào)試、實驗硬件電路，保證可以實現(xiàn)既定功能。2 太陽能電池的研究和分析 太陽能電池的原理[8,9]太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片。當太陽光照射時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子——空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子——空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。薄片的另一側和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于半導體PN結，光伏效應更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導體構成的。太陽能電池的基本結構相當于一個大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當用適當波長的太陽光照射到半導體上時，光能被半導體吸收后，在導帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子電子和空穴。半導體內(nèi)在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在PN結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏特電動勢。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負載，外電路則有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實用的電能。另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍色氧化硅薄膜以減少入射太陽光的反射，提高太陽能電池對于入射光的吸收率。 太陽能電池的分類[9,13,14]目前，有許多材料可以用來做太陽能光伏電池的半導體層，但是能產(chǎn)生高能量轉(zhuǎn)換效率的光伏材料并不多。全世界應用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵晶體材料以及非晶硅等薄膜材料。從對太陽能光吸收效率、能量轉(zhuǎn)換效率、制造技術的成熟與否以及制造成本等多個因素來看，每種光伏材料各有其有缺點。目前市場上的太陽能電池板繁多，根據(jù)太陽能電池板所用材料的不同可分為：① 硅太陽能電池；② 以無機鹽如砷化鎵IIIV化合物，硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽能電池；③ 功能高分子材料(有機半導體)制備的大陽能電池；④ 納米晶太陽能電池等。這里采用的是硅太陽能電池。硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術也最為成熟。在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、電池轉(zhuǎn)化效率20%左右。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠較單晶硅少，又無較大效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，電池效率達12%左右。非晶硅薄膜太陽能電池與結晶硅電池相比轉(zhuǎn)換效率偏底，但其成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，受到人們普遍的重視并得到迅速發(fā)展，電池最高轉(zhuǎn)換效率為10%左右。 太陽能電池的等效電路[17,20,45]光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個電流隨著光強的增加而增大，當接受的光強度一定時，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結型二極管，因為在光的照射下產(chǎn)生正向偏壓，所以在PN結為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖21表示的等效電路來考慮。圖21理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖在這種等效電路中，加給負荷的電壓V和流過負荷的電流I之間的關系式，可由下式給出。 (21)當I=0時，可以得到太陽能電池的開路電壓 (22)其中I為電池單元輸出電流；為PN結電流(A)；為二極管的反向飽和電流(A)；為外加電壓(V)；q是單位電荷(庫侖)；K是玻耳茲曼常數(shù)()；是絕對溫度()；n為二極管指數(shù)。但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻來表示。同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻來等效表示。此時的等效電路可根據(jù)圖22來描述，其伏安特性可由22式給出。圖22 實際光伏電池等效電路 (23)此式叫做光伏電池的超越方程式。 太陽能電池板的輸出特性及影響因素[12,13,42,44]光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過IV和PV特性曲線來加以體現(xiàn)。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關系，所以本文不對其進行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關參數(shù)。光伏電池的幾個重要技術：① 短路電流：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流。② 開路電壓：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。③ 最大功率點電流()：在給定日照強度和溫度下相應于最大功率點的電流。④ 最大功率點電壓()：在給定日照和溫度下相應于最大功率點的電壓。⑤ 最大輸出功率()：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。⑥ 填充因子 (24)⑦ 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率與陽光投射到電池表面上的功率之比，其值取決于工作點。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率η。以上各個參數(shù)可以在圖23中表示如下：圖23太陽能電池的IV特性關系曲線圖23中，在IV曲線上總可以找到一個工作點，此點處的輸出功率最大，此點就是最大功率點(MPPT)，即圖中M點。M點所對應的電流為最佳工作電流，為最佳工作電壓，為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點時，其效率都低于按此定義的效率值，甚至會低到零。原則上講，可對輸出功率求導使其為0，即可得到該電池的最佳工作點，從而求出最大輸出功率：。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因為它受太陽能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，無法用線性方程表示，具有非線性。圖24可表示太陽能電池的PV曲線。圖24太陽能電池的PV特性曲線，和的乘積就是最佳工作點的縱橫坐標所確定的矩形面積，在曲線范圍內(nèi)這個面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。如果在一定光照下的IV特性曲線是理想的矩形，那么和乘積就等于和的乘積。對實際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來表征光電池的這一特性，填充因子FF定義為式24。它表示最大輸出功率的值所占的以和為邊長的矩形面積的百分比，填充因子是表征光電池的輸出特性好壞的重要參數(shù)之一。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉(zhuǎn)換效率也越高。圖2圖26分別是太陽能電池陣列在溫度為25℃時，不同日照(S)下表現(xiàn)出的電流電壓(IV)和功率電壓(PV)特性。從圖25可知，太陽能電池陣列的輸出短路電流()和最大功率點電流()隨日照強度的上升而顯著增大，也就是說式(23)中強烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖26中虛線與各實線的交點所示。圖25不同日照下的IV關系曲線圖 圖26不同日照下的PV曲線圖 溫度對光伏電池輸出特性的影響圖27，圖28分別給出了太陽能電池陣列在日照射為，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的IV和PV特性。可以看出，溫度對太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對它的輸出開路電壓影響較大。因而對最大輸出功率影響明顯，見圖28中各實線的波峰的幅值變化。 圖27不同溫度下的IV特性曲線 圖28不同溫度下的PV特性曲線綜上，太陽能電池板的輸出特性具有以下特點：① 太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源；② 開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強度強成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強和溫度成非線性變化；③ 輸出功率在某一點達到最大值，該點即為太陽能電池板的最大功率點(MPP，Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化。 本系統(tǒng)所采用的光伏電池本課題所選用的是SUNTEL公司型號為Msol50W的單晶硅光伏電池的各項詳細資料如下：1電池板規(guī)格：2電池的各項參數(shù)（各項數(shù)據(jù)均在光強，溫度25℃的標準條件下測得）：Peak power：50W；Maximum power current：；Maximum power voltage：；Short circuit current：；Open circuit voltage：；受溫度影響：α()：+%/K；β(Voc)：%/K；γ()：%lK。表21 實驗數(shù)據(jù)U（V）I（A）U（V）I（A）其開路電壓和短路電流分別為=，=。本系統(tǒng)采用的光伏電池的IV曲線為下圖29所示。圖29 本系統(tǒng)所采用的蓄電池的IV曲線 本章小結本章內(nèi)容主要介紹太陽能電池板的相關知識。首先介紹了太陽能電池的原理，即太陽能電池板進行光電轉(zhuǎn)換的原理；其次對太陽能電池板的等效電路進行了分析；最后結合可能影響太陽能電池板內(nèi)部和外部因素對其輸出特性作了分析介紹。3 蓄電池太陽能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負載供電，控制整個系統(tǒng)的正常、可靠運行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關系，為了尋求最佳方案，在設計充電器之前必須做的一項工作是對蓄電池原理作一個詳細的分析研究。 蓄電池的概念及其一般特性[27~31,43~45] 電池的定義在現(xiàn)代技術中電池有了更為精確地定義：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨立化學系統(tǒng)。電池按轉(zhuǎn)換能量方式分為兩大類：一類是物理電池，如太陽能電池；另一類是化學電池，即把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置?；瘜W電池按工作性質(zhì)可分為：一次電池（原電池）；二次電池（可充電電池）。其中，一次電池可分為：盒式鋅錳電池、扣式鋅銀電池、鋅空氣電池等。二次電池可分為：鎳鎘電池、氫鎳電池、鋰電池和鉛酸蓄電池等。一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學反應中產(chǎn)生電能。原電池放電導致化學成分永久和不