【正文】 .......... 36 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概述 ....................................................................................... 37 本章小結(jié) ........................................................................................................... 39 5 結(jié)論 ............................................................................................................................. 40 全文工作總結(jié) ................................................................................................... 40 進(jìn)一步工作設(shè)想 ............................................................................................... 40 致 謝 ............................................................................................................................. 42 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 43 翻譯部分 ......................................................................................................................... 45 中文譯文 .................................................................................................................. 45 英文原文 .................................................................................................................. 53 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 1 緒論 課題研究背景 當(dāng)前面臨的能源和環(huán)境問題 [1,2,3,4] 能源猶如人體的血液。 一方面，用于發(fā)電的傳統(tǒng)一次能源如煤、石油等的儲藏量有限。國家 1999 年政府白皮書估計(jì)，目前 我國石油可供開采 20年；天然氣可供開采 60 年；煤炭剩余量稍顯富裕，但可供開采不足百年。這種由環(huán)境污染衍生的環(huán)境效應(yīng)具有滯后性，往往在污染發(fā)生的當(dāng)時不容易被察覺或預(yù)料到，然而一旦發(fā)生就表示環(huán)境污染已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)嚴(yán)重的地步。因此，無論是從確保長期的能源供應(yīng)，還是從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，開發(fā)利用取之不竭而 又沒有公害的新能源己是勢在必行。當(dāng)前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。在未來的一段時間內(nèi)，可再生能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。 ④ 生物能：包括城市垃圾的轉(zhuǎn)化、人類糞便的轉(zhuǎn)化等。特別是近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。在到達(dá)地球表面的太陽輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為 10? W，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬五千多倍。 光伏發(fā)電的特點(diǎn) [10,17,40,43] 太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式 ——電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢。太陽能不用燃料，運(yùn)行成本很小，并且發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡單； ② 利用的場合廣泛和靈活，既可以獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)并行運(yùn)行； ③ 可作為電力用戶供電可靠或提高電能質(zhì)量的不停電電源； ④ 接近負(fù)載中心，減少電網(wǎng)的線損； 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(yùn)輸。 蓄電池充電系統(tǒng) [27~31] 充電器的發(fā)展及其簡單的類型 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(shù)近年來發(fā)展非常迅速。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。自適應(yīng)充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。 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。因此，太陽能充電器有著很大的發(fā)展前景。 ③ 設(shè)計(jì)充電控制系統(tǒng)的外圍電路。當(dāng)太陽光照射時，其中一部分被 表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)用適當(dāng)波長的太陽光照射到半導(dǎo)體上時，光能被半導(dǎo)體 吸收后，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子 電子和空穴。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。全世界應(yīng)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。 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(shù)也最為成熟 。 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。 ?qe x p 1nLOI I I ? ??? ? ?? ????? VKT (21) 當(dāng) I=0 時，可以得到太陽能電池的開路電壓 ln 1q LOIKTV I???????? (22) 其中 I 為電池單元輸出電流 ； LI 為 PN 結(jié)電流 (A)； OI 為二極管的反向飽和電流 (A)； V 為外加電壓 (V)； q 是單位電荷 ( 10 k?? 庫侖 )； K 是玻耳茲曼常數(shù)( 10 /JK?? )； T 是絕對溫度 ( t 273TK?? )； n 為 二極管指數(shù)。 太陽光 LI OI SHI IVSRSHR 圖 22 實(shí)際光伏電池等效電路 ?SSs hq ( V + R I ) V + R Ie x p 1n K T RLOI I I ? ??? ? ? ?? ????? (23) 此式叫做光伏電池的超越方程式。 光伏電池的主要參數(shù) 光伏電池的幾個重要技術(shù)： ① 短路電流 SCI ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。 ⑤ 最大輸出功率 ( MP )：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。 M 點(diǎn)所對應(yīng)的電流 MI 為最佳工作電流，MV 為最佳工作電壓， MP 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(diǎn)時，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。圖 24 可表示太陽能電池的 PV 曲線。它表示最大輸出功率的值所占的以 OCV 和 SCI 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。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(jié)果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖 26 中虛線與各實(shí)線的交點(diǎn)所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 06 0 00 . 51 . 01 . 52 . 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0( A )I ( W )P( V )Uo50 Co0 Co25 C 21 0 0 0 /S W m? 21 0 0 0 /S W m? o0 Co25 Co50 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(diǎn)： 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(qiáng)度強(qiáng)成正比；太陽能電池 板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化； ③ 輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)(MPP， Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化。 圖 29 本系統(tǒng)所采用的蓄電池的 IV曲線 本章小結(jié) 本章內(nèi)容主要介紹太陽能電池板的相關(guān)知識。 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(shù)中電池有了更為精確地定義：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨(dú)立化學(xué)系統(tǒng)。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。所以二次電池儲存能量，而不是產(chǎn)生能量。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時。下面介紹其中一些參數(shù)的概念及相互間的關(guān)系。 0dtddQ I dt? ? (32) 式中 dI 為放電電流， dt 為放電時間。 2 蓄電池效率 放電時能放出的全部電量與充電時充入的全部電量的百分比。 荷電狀態(tài)是描述蓄電池實(shí)際工作狀態(tài)的重要參數(shù)。 b) 循環(huán)壽命：在一定的充電條件下，蓄電池被全充全放的次數(shù)。 它的充 放電特性如下： 1 充電特性 c c bU E I r??? (36) 式中 cU 為蓄電池充電時端電壓， E 為蓄電池電動勢， cI 為蓄電池充電電流， br為蓄電池內(nèi)阻。） 2 . 4? ?Uv01 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 11 . 62 . 02 . 8abcde ? ?tho 圖 31 充電時端電壓的變化曲線 在充電初期，蓄電池的端電壓升高很快（曲線的 oa 段）。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲線的 cd 段時，如再繼續(xù)充電，端電壓也不再升高，只是無謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。充電率的大小是指在一定時間內(nèi)將蓄電池充滿所需電流的大小。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時，蓄電池端電壓的變化如圖所示。放電至 c 點(diǎn)時，放電便告結(jié)束。如果停止放電，則鉛蓄電池的端電壓立即回升，如圖中曲線的虛線部分 ce 段所示。如圖 33 所示 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 2430% H S O的()Pb?()? 24HSO?????? 2P b O 圖 33 鉛酸蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 鉛酸蓄電池是一種利用化學(xué)反應(yīng)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿碾娀瘜W(xué)電源設(shè)備?？梢?，在未接通外電路時（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖 34 所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。 1967 年美國學(xué)者麥斯 (J. A. Mas)經(jīng)過大量試驗(yàn)提出了電池充電可接受電流定律，如式 34 所示 0 ati I e?? (311) 上式中： i —— 電池可接受的充電電流； 0I —— 開始充電 (t=0)時電池可接受的最大充電電流； a—— 充電可接受電流衰減常數(shù) (接收率 )，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)， a=I /C，其中 I 為 任意 充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流， C 表示蓄電池的容量。在 1 區(qū)域時，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫 升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。常規(guī)充電時由于充電電流很小，所以基本上不會產(chǎn)生極化，也就不會產(chǎn)生析氣和溫升現(xiàn)象，它的缺點(diǎn)是充電時間過長。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐校蛩岬臐舛纫呀?jīng)很低，電解液擴(kuò)散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動勢急劇降低，造成電池端電壓的 下降，至此應(yīng)停止放電，否則會造成電池的過度放電。開路時正負(fù)極板與電解液處于暫時的相對平衡狀態(tài)，當(dāng)電池充電或放電時，平衡狀態(tài)遭到破壞，正、負(fù)極之間的工作電壓值偏離其電動勢，產(chǎn)生 “ 極化現(xiàn)象”。 (3) 電化學(xué)極化 電極反應(yīng)由好幾個基本步驟構(gòu)成，其中有一個步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進(jìn)行必須外加電源來增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。 太陽能 蓄電池充電技術(shù)研究 對蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法 恒流充電 恒流充電就是以