【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 IV特性曲線 圖 28 不同溫度下的 PV特性曲線 綜上，太陽(yáng)能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)： ① 太陽(yáng)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(kāi)路電壓時(shí)近似為恒壓源； ② 開(kāi)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(yáng)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(yáng)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。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 本章小結(jié) 本章內(nèi)容主要介紹太陽(yáng)能電池板的相關(guān)知識(shí)。首先介紹了太陽(yáng)能電池的原理，即太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的原理；其次對(duì)太陽(yáng)能電池板的等效電路進(jìn)行了分析； 介紹了太陽(yáng)能電池的分類(lèi)； 最后結(jié)合可能影響太陽(yáng)能電池板內(nèi)部和外部因素對(duì)其輸出特性作了分析介紹。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 3章 蓄電池 充電技術(shù) 研究 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽(yáng) 能 電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大 的關(guān)系，為了尋求最佳方案，在設(shè)計(jì)充電器之前必須做的一項(xiàng)工作是對(duì)蓄電池原理作一個(gè)詳細(xì)的分析研究。 蓄電池的一般特性 主要參數(shù)指標(biāo) 描述蓄電池特性的參數(shù)有很多，主要的有：蓄電池的充放電容量、蓄電池效率、荷電狀態(tài)、放電深度和蓄電池壽命等。當(dāng)然對(duì)于不同的蓄電池還有不同的參數(shù)，后面用到鉛酸蓄電池時(shí)再詳述。下面介紹其中一些參數(shù)的概念及相互間的關(guān)系。 1 蓄電池充放電容量 蓄電池充電容量 CQ ：蓄電池充電時(shí)消耗的電量。 ?? CtCC dtIQ 0 (31) 式中 CI 為充電電流， ct 為充電時(shí)間。 蓄電池放電容量 dQ ：完全充足電的蓄電池在一定放電條件下放出的電量。 dtIQ dtdd ?? 0 (32) 式中 dI 為放電電流， dt 為放電時(shí)間 。 影響蓄電池放電容量的主要因素有： a) 放電率放電時(shí)間越短，放電電流就越大，蓄電池的終止電壓越低，蓄電池的容量就越小。 b) 電解液的溫度當(dāng)電解液溫度在 1035℃變化時(shí)，溫度每升高 1℃，蓄電池容量約增加額定容量的 。 通常采用 25℃下 10 小時(shí)放電率取得的容量作為蓄電池的額定容量。 2 蓄電池效率 放電時(shí)能放出的全部電量與充 電時(shí)充入的全部電量的百分比?？捎冒矔r(shí)效率A? 或瓦時(shí)效率 W? 表示，它們的關(guān)系為 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 %1 00???? ??? cdAccc dddw UUtUI tUI ?? (33) 式中 CU 和 dU 分別為蓄電池充放電時(shí)的平均電壓 。 3 荷電狀態(tài) (SOC) 己充電量與蓄電池額定容量的比值。 rQtQSOC )(? (34) 式中 )(tQ 是蓄電池實(shí)際帶電量， rQ 是額定容量 。 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)。 4 放電深度 (DOD) 蓄電池放電量與額定容量的比值。 SOCDOC ??1 (35) 5 蓄電池壽命 a) 浮動(dòng)充電壽命：蓄電池保持在浮動(dòng)充電條件下的使用壽命。即在一個(gè)固定的浮充電壓和特 定的電解液溫度條件下的使用壽命。 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)。蓄電池的壽命與放電深度、充電電壓和環(huán)境溫度密切相關(guān)。選擇放電深度 3050%，環(huán)境溫度1025℃可充分延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。 鉛酸蓄電池的充放電特性 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（ 2PbO ），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì) 氫氧化鉛（ ? ?4Pb OH ），氫氧根離子在溶液中，鉛離子 （ 4Pb? ）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（ Pb ），與電解液中的硫酸（ 24HSO ）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（ 2Pb? ），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（ 2e）?？梢?jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)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 31 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(dòng)勢(shì)。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 24H S O4Pb ? ?2P bO Pb??2OH ?2H ?2OH ?2H ? 24SO ?24SO ?2Pb ?2? 圖 31 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理 其原理可通過(guò)下面的反應(yīng)方程式來(lái)表示： 負(fù)極： 2 4 4 22P b H S O P b S O H e?? ? ? ? (38) 正極： 2 2 4 4 22 2 2P b O H S O H e P b S O H O?? ? ? ? ? (39) 總反應(yīng)： 2 2 4 4 22 2 2Pb PbO H SO PbSO H O? ? ? ? (310) 圖 32 是固定放電電流下電 池端電壓與放電時(shí)間的示意圖。從圖可以看出，在大部分放電過(guò)程中，電池端電壓是穩(wěn)定下降的，說(shuō)明電池釋放的能量與電池端電壓的降低量間存在一定的關(guān)系。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐?，硫酸的濃度已?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(dòng)勢(shì)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(huì)造成電池的過(guò)度放電。過(guò)放電會(huì)致使電池內(nèi)部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，造成電池陰極 “ 硫酸鹽化 ” ，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)蓄電池的充、 放電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因此在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內(nèi)阻也越大，電池的充、放電性能就越差，從而使蓄電池的壽命縮短。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 32 鉛酸電池端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系 太陽(yáng)能 蓄電池充電技術(shù)研究 對(duì)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 恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變 。這種方法特別適合于有多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。 這種充電方式的不足之處是，蓄電池開(kāi)始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足 65%。為避免充電后期電流過(guò)大的缺點(diǎn)，一種改進(jìn)型的恒流方法得到應(yīng)用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說(shuō)明書(shū)中的有關(guān)規(guī)定，否 則容易損壞蓄電池。充電過(guò)程中電壓、電流變化關(guān)系如圖 33 所示。 放電時(shí)間 U 電池端電壓 轉(zhuǎn)折點(diǎn) 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 33 恒流充電曲線 圖 34 恒壓充電曲線 恒壓充電 恒壓充電就是指以一恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。 相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電 效率可達(dá) 80%，如充電電壓選擇適當(dāng)，可在 8 小時(shí)內(nèi)完成充電。此法的充電特性曲線如圖 34 所示，此法也有其不足之處： ① 在充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷。 ② 如果蓄電池電壓過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。 ③ 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。 這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來(lái)自太陽(yáng)能陣列，其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流，所以在這樣的系 統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。 恒壓限流充電 恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時(shí)初始電流過(guò)大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻，當(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時(shí)，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之在某個(gè)限定范圍內(nèi)，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱(chēng)這種方式為準(zhǔn)恒壓方式。 IU, t IU, U II U I t 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 兩階段、三階段充電 這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點(diǎn) 而結(jié)合的一種充電策略。它要求首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。其充電特性如圖 35 所示。 在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達(dá)其額定容量 (當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下 )時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱(chēng)為浮充。這就是在兩階段基礎(chǔ)上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖 35 的虛線段 fU 。 本系統(tǒng) 采用的就是 三階段充電階段。 圖 35 兩階段、三階段充電曲線 快速充電 正常充電方式蓄電池從 0%到 100%容量比，一般需要 820 小時(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)。在某些場(chǎng)合需要縮短充電時(shí)間，但采用電流過(guò)大時(shí)蓄電池的溫度會(huì)升高過(guò)快，對(duì)蓄電池有損害，且電流利用率也下降?？焖俪潆娋褪遣捎么箅娏骱透唠妷簩?duì)蓄電池充電，在 12 小時(shí)內(nèi)把蓄電池充好，而且在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)使蓄電池產(chǎn)生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過(guò)高 (一般在 45℃ 以下 )。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過(guò)大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時(shí)間放電相結(jié)合方法。短時(shí)反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過(guò)程中產(chǎn)生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。當(dāng)然脈沖充電電流、持續(xù)時(shí)間和放電電流以及持續(xù)時(shí)間必須根據(jù)蓄電池的要求進(jìn)行。 UU II fU IU, t 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 智能充電 智能充電是以美國(guó)人 （馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。 雖說(shuō)可以使蓄電池的充電電流始終保持在可 接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對(duì)蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因?yàn)槌潆婋娫幢旧聿⒉皇钦嬲饬x上的“無(wú)限電源”，而是來(lái)自太陽(yáng)能光伏陣列這個(gè)“有限電源”，對(duì)蓄電池充電的同時(shí)還必須考慮電源電流的“來(lái)源”是否足夠。因此還未見(jiàn)到在光伏系統(tǒng)中采用充電可接受電流控制的智能充電的研究報(bào)道。 本章小結(jié) 介紹了蓄電池的相關(guān)知識(shí)。首先通過(guò)對(duì)蓄電池的概念和一般特性的介紹，使我們對(duì)蓄電池有了更多的了解； 并 結(jié)合上一章對(duì)太陽(yáng)能電池板的介紹，簡(jiǎn)單的對(duì)太陽(yáng)能 蓄電池充電技術(shù)作了簡(jiǎn)單的研究。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第 4章 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能充 /放 電器原理 太陽(yáng)能充放 /電控制器的作用是有效地控制太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，同時(shí)控制蓄電池為負(fù)載放電，以 12V蓄電池為例，以其配套的太陽(yáng)能電池板在有一定光照強(qiáng)度下的開(kāi)路電壓為 21V，接入控制器后的電壓為 17V，蓄電池的電壓為10~14V，不同的蓄電池其充放電特性是不同的，若為小容量蓄電池，當(dāng)接通太陽(yáng)能電池板與蓄電池后，蓄電池的電壓會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)被電池板充到 14V，若不加控制，蓄電池電壓甚至?xí)?，我們判斷蓄電池是否已?jīng)充滿的標(biāo)準(zhǔn)就是檢測(cè)蓄電池的電壓值，實(shí)際上在這種方式下檢測(cè)出的結(jié)果是 不準(zhǔn)確的，因此此時(shí)檢測(cè)到得蓄電池電壓是虛電壓，而等電池穩(wěn)定后，再測(cè)量電壓，會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓下降了許多，我們加入控制器的目的就是當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，使用控制器控制連接太陽(yáng)能電池板與蓄電池之間的 MOS 管的開(kāi)關(guān)，以一種脈寬調(diào)制的方式，降低充電電流以進(jìn)一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值?？刂曝?fù)載是需要注意，當(dāng)蓄電池電壓放電到一定電壓值以下時(shí)，要關(guān)斷負(fù)載，以保護(hù)蓄電池不能太過(guò)放電，若控制器控制充電部分電路出現(xiàn)問(wèn)題，蓄電池電壓將有可能一直被充到 16V以上，這樣的電壓連進(jìn)負(fù)載時(shí)，極 有可能燒毀負(fù)載，因此，也要保證當(dāng)蓄電池電壓高于