【正文】 蓄電池充電方法 。所選鋰離子電 池的特性為：額定電壓是 ，終止充電電壓是 ,終止放電電壓是 。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。 蓄電池及其充電控制 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 15 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。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 05 01 0 01 5 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 000 . 1 60 . 3 30 . 5 80 . 6 50 . 8 30 . 9 61 . 1 61 . 3 31 . 5 0t / sI / AS = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃S = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃2 0 0 圖 211 輸出電流波形 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 05 0 000 . 91 . 82 . 73 . 64 . 55 . 4t / sU / VS = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃ 圖 212 輸出電壓波形 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 000 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 4t / sP / WS = 1 0 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 2 5 ℃S = 8 0 0 W / ㎡T = 3 0 ℃ 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。在仿真時間為 200s 時，光照強(qiáng)度變?yōu)?800W/㎡ ，溫度不變?yōu)?25℃ ；在仿真時間到達(dá) 350s 時，溫度變?yōu)?30℃ ，光照強(qiáng)度為 800W/㎡ 。仿真模型如圖 210 所示。 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 13 U p vV DCR LV TILI oU o 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。 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。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。 太 陽能 電池 板負(fù)載B O O ST 電路最 大功 率跟 蹤P W M控 制電 流 檢 測電 壓 檢 測 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。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。 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。 ?? (212) dVVV39。 I39。 由上述條件可以把式 (22)化簡為： ?????? ?????? ???????? 1VC Ve x pC1IIoc21sc (23) 在最大功率點(diǎn)處有： 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 9 ?????? ?????? ???????? 1VCVe x pC1IIoc2m1scm (24) 在常溫條件下： exp[Vm/(C2Voc)]≥1，可忽略 “ 1”項，得出 C1為： ????????????? ?? oc2 mscm1 VC Ve x pII1C (25) 在開路狀態(tài)下，把式 (25)帶入式 (23)得： ?????? ?????? ????????????? ??????? ??? 1C1e x pVC Ve x pII11I02oc2mscmsc (26) 由于 exp(1/C2)≥1，可忽略“ 1”項，得到 C2： ?????? ??????? ?? scmocm2 II1/ln1VVC (27) 按照標(biāo)準(zhǔn)，取 Sref=1000W/m2， Tref=25℃ 為參考光照強(qiáng)度與溫度。 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。 0 0 . 71 . 42 . 12 . 83 . 54 . 2 500 . 40 . 81 . 21 . 62 . 0U / VI / A1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 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 0 0 . 7 1 . 4 2 . 1 2 . 8 3 . 5 4 . 2 500 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 46 . 0U / VP / W1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 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，開路電燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 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。 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。 IDIs hRs hRsIURL 圖 21 太陽能電池等效電路圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 用公式表示太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為： shDph IIII ? (21) ? ?shssph R IRU1AKT IRUqe xpIoII ???????? ??????? ??? (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]。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。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。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]。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。 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。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。 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)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 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。使得其應(yīng)用范圍遍及到幾乎所有的用電領(lǐng)域。為了鼓 勵開發(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。雖然與國外相比，我國的技術(shù)水平和投入力度還有很多不足，在太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用層面上還有很大的發(fā)展空間，但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，以后一定可以利用豐富的太陽能資源解決資源短缺的問題。自 2020 年起，我國太陽能電池制造業(yè)高速發(fā)展，但是，在太陽能電池的應(yīng)用方面，跟發(fā)達(dá)國家相比，我國太陽能光伏電池的市場需求相對較小，發(fā)展相對緩慢，工藝技術(shù)方面也比較落后，在國外 的市場仍面臨著嚴(yán)峻的考驗。可以說我國的光伏發(fā)電起步較晚，但是發(fā)展速度較快。而且隨著節(jié)能環(huán)保概念的提出，對手機(jī)充電器節(jié)能環(huán)保與可靠性也提出了更高的要求，因此，太陽能手機(jī)充電器必然成為以后手機(jī) 充電器的一種發(fā)展趨勢。目前，市場上銷售最多的是旅行手機(jī)充電器，嚴(yán)格地從充電電路進(jìn)行分析，只有非常少的一部分充電器屬于真正意義上的智能控制手機(jī)充電器。綜上所述，太陽能手機(jī)充電器具有非常廣闊的發(fā)展前景和巨大的現(xiàn)實意義。還存在的一個問題是，手機(jī)電池的儲能是有限的，外出遠(yuǎn)離市電的人們經(jīng)常會遇到手機(jī)沒電又無法及時補(bǔ)充電能的情況，這時，太陽能手機(jī)充電器的優(yōu)點(diǎn)就顯現(xiàn)出來。 所以手機(jī)充電器的質(zhì)量不能保證的話，一旦出現(xiàn)意外，就會產(chǎn)生難以想象的危害。充電器的質(zhì)量、安全等一系列問題不僅直接影響著手機(jī)的正常使用，還使手機(jī)電池的壽命大大減少。手機(jī)充電器作為手機(jī)的一個必不可分的組件，它的性能好壞，會直接影響到手機(jī)的正常使用，所以手機(jī)充電器的作用至關(guān)重要。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 手機(jī)充電器研究的背景及意義 自馬丁庫伯在 1973 年發(fā)明了手機(jī)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展它已經(jīng)成為了人們 生活中不可或缺的通訊工具。但是，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在家庭小產(chǎn)品方面的應(yīng)用實例還是相對較少的，如目前使用太陽能充電的手機(jī)充電器還沒有被廣大消費(fèi)者普遍接受。太陽能電池技術(shù)最重要的研究內(nèi)容，就是如何在給定光電轉(zhuǎn)換 材料和電池的條件下，完成高效可靠的充電。目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍事、航天領(lǐng)域進(jìn)入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門。太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用 直接產(chǎn)生電能，不需要消耗燃料和水等物質(zhì)，轉(zhuǎn)換過程中不釋放包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體，是對環(huán)境沒有任何污染的可再生能源。因此，為了提高國際競爭力，各國對于太陽能資源的利用和開發(fā)更是刻不容緩。對于地球來說，接收到的太陽能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所利用的能量，這就造成了能源和資源的浪費(fèi)。 Chips。 Solar energy。 關(guān)鍵詞： 手機(jī)充電器；太陽能； MATLAB；芯片；單片機(jī) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) II Abstract Solar energy as a renewable and clean energy, to the improvement of the r