【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輻射，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流。與常規(guī)發(fā)電和其他綠色發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢(shì)： ① 是真正的無(wú)污染排放、不破壞環(huán) 境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。太陽(yáng)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(jiǎn)單； ② 利用的場(chǎng)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(hù)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(xiàn)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(wú)需運(yùn)輸。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的幾個(gè)毫伏，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽(yáng)電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。 由于太陽(yáng)能 存在上述的優(yōu)勢(shì)，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(jià)格還比較高，不過(guò)其維修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價(jià)格會(huì)下降，優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來(lái)。 蓄電池充電系統(tǒng) [27~31] 充電器的發(fā)展及其簡(jiǎn)單的類(lèi)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(lái)發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)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(guò)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(shí)間，沒(méi)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 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(chǎng)近半個(gè)世紀(jì)。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。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(yīng)智能充電器 隨著大規(guī)模集成 IC 的出現(xiàn)，充電設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的自適應(yīng)、智能階段，即稱(chēng)為第三代充電器。自適應(yīng)充電器遵循各類(lèi)電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。并且具有溫度補(bǔ)償功能。充電系 統(tǒng)由具有特殊功能的單片機(jī)控制，不斷檢測(cè)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(yīng)不同種類(lèi)電池的充電，充電器自適應(yīng)調(diào)整自己的輸出電流，無(wú)需人工選擇，避免操作失誤。 充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，相應(yīng)的就出現(xiàn)了各種類(lèi)型的充電器，以下就是一些簡(jiǎn)單的充電器類(lèi)型： 普通型充電器 這是最基本和最常用的一種簡(jiǎn)單型充電器，實(shí)際上就是一個(gè)變壓器降壓、二級(jí)管整流電路； 可調(diào)型充電器 簡(jiǎn)單地說(shuō)就是電池充電可調(diào)節(jié)，它是根據(jù)充電電池的電壓來(lái)調(diào)節(jié)充電的方式； 自動(dòng)型充電器 顧名思義就是可以實(shí)現(xiàn)充電自動(dòng)化的裝置，它分為全自 動(dòng)型和半自動(dòng)型，大多都可以進(jìn)行軟件編程，通過(guò)為處理起來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能； 多功能型充電器 就是可是實(shí)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(yáng)能充電器，都是在充電器發(fā)展的過(guò)程中逐漸產(chǎn)生的。 太陽(yáng)能充電器 太陽(yáng)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(lái)電網(wǎng)電壓之后先進(jìn)行降壓處理，再通過(guò)整流裝置給 各種蓄電池充電，這種充電器的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)市電穩(wěn)定時(shí)它可以提供穩(wěn)定的充電平臺(tái)。太陽(yáng)能充電器由太陽(yáng)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(shí)可以直接連接蓄電池或者增加一級(jí)升壓裝置。另外，太陽(yáng)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(yáng)能充電器有著很大的發(fā)展前景。 在 簡(jiǎn)單的了解了太陽(yáng)能充電器與一般市電充電器的差別，但是無(wú)論在細(xì)節(jié)上有多大的差別，其總體設(shè)計(jì)思路是一樣的：都是電源供電、充電控制、蓄電池和負(fù)載這幾部分構(gòu)成，圖 11 就表示了太陽(yáng)能充 電控制器的整體結(jié)構(gòu)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 太 陽(yáng) 能電 池 板基 于 單 片 機(jī)充 電 控 制 部 分蓄 電 池負(fù)載充 電 控 制 部 分 負(fù) 載 用 電 部 分 圖 11 單片機(jī)控制太陽(yáng)能充電器的結(jié)構(gòu) 本課題研究的主要內(nèi)容 ① 分析太陽(yáng)能電池板和蓄電池的特性。 ② 根據(jù)太陽(yáng)能電池輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計(jì)蓄電池的充電控制方法。 ③ 設(shè)計(jì)充電控制系統(tǒng)的外圍電路。 ④ 編寫(xiě)單片機(jī)的執(zhí)行程序。 ⑤ 調(diào)試、實(shí)驗(yàn)硬件電路，保證可以實(shí)現(xiàn)既定功能。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 2 太陽(yáng)能電池的研究和分析 太陽(yáng)能電池的原理 [8,9] 太陽(yáng)能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，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(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生 電子 —— 空穴對(duì) 。這樣，光能就以產(chǎn)生電子 —— 空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。薄片的另一?cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。太陽(yáng)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。對(duì)于半導(dǎo)體 PN 結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽(yáng)能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。 太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)大面積二極管，其基本特性也與二極管類(lèi)似。當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能被半導(dǎo)體 吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子 電子和空穴。半導(dǎo)體內(nèi)在 P 型和 N 型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，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(guò)剩的電子， P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在 PN 結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使 P 型層帶正電， N 型層帶負(fù)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(dòng)勢(shì)。若分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬引線(xiàn)，接通負(fù)載，外電路 則 有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可付 諸實(shí)用的電能。 另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍(lán)色氧化硅薄膜以減少入射太陽(yáng)光的反射，提高太陽(yáng)能電池對(duì)于入射光的吸收率。 太陽(yáng)能電池的分類(lèi) [9,13,14] 目前，有許多材料可以用來(lái)做太陽(yáng)能光伏電池的半導(dǎo)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(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。從對(duì)太陽(yáng)能光吸收效率、能量轉(zhuǎn)換效率、制造技術(shù)的成熟與否以及制造成本等多個(gè)因素來(lái)看，每種光伏材料各有其有缺點(diǎn)。 目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池板繁多，根據(jù)太陽(yáng)能電池板所用材 料的不同可分為 ：① 硅太陽(yáng)能電池； ② 以無(wú)機(jī)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(yáng)能電池； ③ 功能高分子材料 (有機(jī)半導(dǎo)體 )制備的大陽(yáng)能電池；中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) ④ 納米晶太陽(yáng)能電池等 。 這里 采用的是硅太陽(yáng)能電池 。 硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟 。 在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù) .開(kāi)發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池，電池轉(zhuǎn)化效率 20%左右 。 多晶硅薄膜電池所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)較大效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料 上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，電池效率達(dá) 12%左右 。 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與結(jié)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(yáng)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(gè)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(shí)，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，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在 PN 結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖 21 表示的等 效電路來(lái)考慮。 太 陽(yáng) 光 LI OIIV 圖 21 理想狀態(tài)的太陽(yáng)能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過(guò)負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式，可由下式給出。 ?qe x p 1nLOI I I ? ??? ? ?? ????? VKT (21) 當(dāng) I=0 時(shí)，可以得到太陽(yáng)能電池的開(kāi)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(kù)侖 )； K 是玻耳茲曼常數(shù)( 10 /JK?? )； T 是絕對(duì)溫度 ( t 273TK?? )； n 為 二極管指數(shù)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 但是在實(shí)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(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 SR 來(lái)表示。同時(shí)，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(guò)負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻 s hR 來(lái)等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖 22 來(lái)描述，其伏安特性可由 22 式給出。 太陽(yáng)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。 太陽(yáng)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(guò) IV 和 PV 特性曲線(xiàn)來(lái)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(guān)系，所以本文不對(duì)其進(jìn)行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。 光伏電池的主要參數(shù) 光伏電池的幾個(gè)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。 ② 開(kāi)路電壓 OCV ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。 ③ 最大功率點(diǎn)電流 ( MI )：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) ④ 最大功率點(diǎn)電壓 ( MV )：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn) 的電壓。 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。 ⑥ 填充因子 MOC SCPFF VI? ? (24) ⑦ 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率 MP 與陽(yáng)光投射到電池表面上的功率 SP 之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作 為其效率η，/M P P T M SPP????。 以上各個(gè)參數(shù)可以在圖 23 中表示如下： I VO MPMVSCOCV 圖 23 太陽(yáng)能電池的 IV 特性關(guān)系曲線(xiàn) 圖 23 中，在 IV 曲線(xiàn)上總可以找到一個(gè)工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn) (MPPT)，即圖中 M 點(diǎn)。 M 點(diǎn)所對(duì)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(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。原則上講，可對(duì)輸出功率求導(dǎo)使其為 0，即可得到該電池的最佳工作點(diǎn) MI ， MV ，從而求出最大輸出功率： M M MP I V??。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因?yàn)樗芴?yáng)能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，其特性方程由公式 可知一個(gè)超越指數(shù)方程，無(wú) 法用線(xiàn)性方程表示，具有非線(xiàn)性。圖 24 可表示太陽(yáng)能電池的 PV 曲線(xiàn)。 ( w )P( v )Vm a xPm a xVMP 圖 24 太陽(yáng)能電池的 PV特性曲線(xiàn) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 從圖 可見(jiàn)， MI 和 MV 的乘積就是最佳工作點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)所確定的矩形面積，在曲線(xiàn)范圍內(nèi)這個(gè)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(xiàn)是理想的矩形，那么 MI 和 MV 乘積就等于 SCI 和 OCV 的乘積。對(duì)實(shí)際光電池，引人填充因子 FF(Fill factor)概念來(lái)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 OCV 和 SCI 為邊長(zhǎng)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(xiàn)越“方”，電池的轉(zhuǎn)換效率也越高。 太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 圖 2圖 26 分