【正文】 、割膠燈、節(jié)能燈等。 太陽能建筑：將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來一大發(fā)展方向。 目前美國、歐洲各國特別是德國及日本、印度等都在大力發(fā)展太陽電池應(yīng)用，開始實(shí)施的 十萬屋頂 計(jì)劃、 百萬屋頂 計(jì)劃等，極大地推動(dòng)了光伏市場的發(fā)展，前途十分光明。太陽能發(fā)電又分為光電發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和 光生物發(fā)電。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)： 是真正的無污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。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電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。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。盡管他的大部 分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)用于控制有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡化一些專用接口電路，如編程計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)（ PLL）、模擬開關(guān)、 A/D 和 D/A 變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。單片機(jī)在智能儀表、實(shí)時(shí)控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域?？梢哉f，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。 CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場合。 微型單片化 常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上 ，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以 MCS51 為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺(tái)灣的 WinBond 系列單片機(jī)。 本課題研究的主 要內(nèi)容 分析太陽能電池板和蓄電池的特性。 畫出電路圖，并生成相應(yīng)的 PCB。 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2章 太陽能電池的研究和分析 太陽能電池的原理 太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。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) 。薄片的另一側(cè)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(yīng)。對(duì)于半導(dǎo)體 PN 結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。 太陽能電池的基本結(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似。半導(dǎo)體內(nèi)在 P 型和 N 型交界面兩邊形成勢(shì)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(jié)附近形成與勢(shì)壘電場方向相反的光生電場。若分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，外電路 則 有電流通過。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實(shí)用的電能。 太陽能電池的分類 目前，有許多材料可 以用來做太陽能光伏電池的半導(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。從對(duì)太陽能光吸收效率、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)因素來看，每種光伏材料各有其有缺點(diǎn)。這里采用的是硅太陽能電池。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) 。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無較大效率衰退問題，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。 太陽能電池的等效電路 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。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 表示的等效電路來考慮。 e x p 1LO qvI I I nK T????? ? ????????? (21) 當(dāng) I=0 時(shí)，可以得到太陽能電池的開路電壓 ln 1qLOIKTV I???????? (22) I OI LI 太陽光 V LI 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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 ( ?? 庫侖 )； K 是玻耳茲曼常數(shù)( 10 /JK?? )； T 是絕對(duì)溫度 ( KtT 273?? )； n 為二極管指數(shù)。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 來等效表示。 圖 22 實(shí)際光伏電池等效電路 ? ? Ss hV +R Ie xp 1 RSLO q v R II I I nK T???????? ? ? ????????? (23) 此式叫做光伏電池的超越方程式。 ② 開路電壓 OCV ：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。 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。 ⑥ 填充因子 SCOCMIV PFF ?? (24) ⑦ 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率 MP 與陽光投射到電池表面上的功率 SP 之比，其值取決于工作點(diǎn)。 以上各個(gè)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(guān)系曲線 圖 24 太陽能電池的 PV特性曲線 SCI 0 OCV MV MP V I MI MAXV )(vV MP MAXP )(wP 北華大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 23 中，在 IV 曲線上總可以找到一個(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)。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： MMM VIP ?? 。因?yàn)樗芴柲茈姵貎?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，無法用線性方程表示，具有非線性。 從圖 可見， 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，在曲線范圍內(nèi)這個(gè)面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。對(duì)實(shí)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。從圖 25 可知，太陽能電池陣列的輸出短路電流 ( SCI )和最大功率點(diǎn)電流 ( MI )隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大雖然日照的變化對(duì)陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對(duì)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?？梢钥闯觯瑴囟葘?duì)太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對(duì)它的輸出開路電壓影響較大。 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(shí)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。首先介紹了太陽能電池的原理，即太陽能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的原理；其次對(duì)太陽能電池板的等效電路進(jìn)行了分析； 介紹了太陽能電池的分類； 最后結(jié)合可能影響太陽能電池板內(nèi)部和外部因素對(duì)其輸出特性作了分析介紹。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。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。 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。 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。 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。 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?？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 。 rQtQSOC )(? (34) 式中 )(tQ 是蓄電池實(shí)際帶電量， rQ 是額定容量 。 4 放電深度 (DOD) 蓄電池放電量與額定容量的比值。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。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)。 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。可見，在未接通外電路時(shí)（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 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)。從圖可以看出，在大部分放電過程中，電池端電壓是穩(wěn)定下降的，說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。過放電會(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。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)，最好用于小電流長時(shí)間的充電模式。為避免充電后期電流過大的缺點(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。充電過程中電壓、電流變化關(guān)系如圖 33 所示。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。 相對(duì)恒流充電來說，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，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。 ② 如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。 這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來自太陽能陣列，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。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，因此也稱這種方式為準(zhǔn)恒壓方式。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