【正文】 對化石能源的開采，能源日益緊缺，再加上化石能源對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，環(huán)保的壓力不斷增大，尋找廉價(jià)的新型的清潔能源，成為了世界各國的發(fā)展方向。而且，太陽能屬于清潔能 源，不會(huì)產(chǎn)生化石燃料燃燒所產(chǎn)生的溫室氣體，更不會(huì)對環(huán)境造成污染。太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅是單純的經(jīng)濟(jì)問題，更是能源替代和環(huán)保的問題。這對改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室效應(yīng)具有非常重大的意義。而且隨著太陽能電池 技術(shù)的改進(jìn)以及新型光 — 電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，以及各國對環(huán)境的保護(hù)要求和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍是利用太陽輻射能切實(shí)可行的方法，為人類將來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。隨著太陽能電池板價(jià)格方面越來越便宜和科學(xué)家在光伏技術(shù)方面研究的不斷深入，人類對于太陽能的利用將會(huì)越來越多。因此， 太陽能作為一種容易獲取、對環(huán)境無污染的綠色能源若能應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品中，對于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境問題有著巨大的意義。目前，中國已擁有 13 億的手機(jī)用戶，如果手機(jī)無法正常使用，將會(huì)給我們的工作、生活帶來許多的不便，甚至造成巨大的損失。然而現(xiàn)在市場上有些充電器的 產(chǎn)品質(zhì)量并不能滿足要求，而且還存在著安全隱患。尤其是安全問題特別重要，有關(guān)手機(jī)在充電過程中發(fā)生爆炸的事故很多，這很大程度上和手機(jī)充電器的質(zhì)量有關(guān)。而智能充電器能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行控燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 制，不僅可以在充電過程中對電池進(jìn)行保護(hù)，還可以防止過電壓并控制充電溫度 [1]。首先，它特別適合應(yīng)急的場合，只要有陽光的地方就可以進(jìn)行充電；其次，它體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的理念，是一款綠色的產(chǎn)品。 市場產(chǎn)品概況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 市場產(chǎn)品概況 如今，市場上手機(jī)充電器的類型主要有旅行手機(jī)充電器、座式充手機(jī)電器、車載手機(jī)充電器、無線手機(jī)充電器、太陽能手機(jī)充電器等?，F(xiàn)在一些較好的手機(jī)充電器有如下特點(diǎn)：多電壓可選、限流保護(hù)、體積小、重量輕、快速充電、自動(dòng)關(guān)斷等。 太陽能國內(nèi)研究狀況 中國從 1958年開始了太陽能電池的研究，在 1971年成功應(yīng)用在東方紅二號衛(wèi)星上，于 1973 年開始應(yīng)用在地面上。中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在 20 世紀(jì) 80 年代以前一直處于起步階段，但是隨 著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，政府對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與投入也越來越大。在太陽能電池的研究方面，國內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)也都長期致力于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究，并積累了許多經(jīng)驗(yàn)也取得了一些的研究成果。 太陽能國外研究狀況 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)從 20 世紀(jì) 80 年代以來一直持續(xù)發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于全世界，特別是在非洲、澳洲、南美洲、亞洲等國家普遍受到重視。德國率先推出“ 1000 太陽能屋頂計(jì)劃”，美國也在 1997 年提出“百萬屋頂計(jì)劃”，并制定相關(guān)的財(cái)政補(bǔ)貼政策，此后，意大利、法國、第 1章 緒論 3 西班牙荷蘭等國家也紛紛出臺(tái)政策以 鼓勵(lì)、促進(jìn)太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 [2]。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷地提高，晶體硅的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 15%，單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為 %，砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率是 25%，特別是新型的薄膜太陽能電池由于用硅量只有硅片電池的1/100，加工工藝簡化，可以大大縮短能量返還的時(shí)間，提高能量的再生比。 對兩種太陽能手機(jī)充電器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比對，闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn) 。還應(yīng)用 MATLAB 仿真軟件對電路進(jìn)行了仿真研究。第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 5 第 2 章 太陽能電池與蓄電池的論述 太陽能電池的研究 太陽能 電池的工作原理 太陽能電池是以半導(dǎo)體 PN 結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器件。其工作原理是：當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體吸收光能，并且產(chǎn)生許多光電子 空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)的電場的作用下，光生電子和空穴被分離，半導(dǎo)體兩端出現(xiàn)異種電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。這樣，太陽能通過太陽能電池就轉(zhuǎn)換為了可以使用的電能。 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，其等效電路由光生電流源及一系列電阻組成，如圖 21 所示。 00 . 1 6 0 . 3 30 . 5 8 0 . 6 50 . 8 30 . 9 6 1 . 1 61 . 3 31 . 5 0012345I / AU / VI s cI mU o cU m 圖 22(a) 太陽能電池的 IV特性曲線 00 . 71 . 42 . 12 . 83 . 54 . 25 . 000 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 4U / VP / WU mP m 圖 22(b)太陽能電池的 PV 特性曲線 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 7 由圖 22 可以得 到太陽能電池的幾個(gè)重要的參數(shù)： 短路電流 (Isc)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流； 開路電壓 (Voc)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓； 最大功率點(diǎn)電流 (Im)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下相對于最大功率點(diǎn)的電流； 最大功率點(diǎn)電壓 (Vm)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下相對于最大功率點(diǎn)的電壓； 最大功率點(diǎn)功率 (Pm)：在給定光照強(qiáng)度和溫度下輸出的最大功率。太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化 曲線如圖 23 所示，太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨溫度的變化曲線如圖 24 所示。 00 . 71 . 42 . 1 2 . 83 . 54 . 2500 . 40 . 81 . 21 . 62 . 02 . 4U / VI / A3 0 ℃2 0 ℃2 5 ℃ 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 圖 24(a) 太陽能電池在 S=1000W/㎡ 時(shí) 不同溫度下的 IV 特性曲線 00 . 7 1 . 42 . 12 . 83 . 5 4 . 2500 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 46 . 0U / VP / W2 0 ℃2 5 ℃3 0 ℃ 圖 24(b) 太陽能電池在 S=1000W/㎡ 時(shí) 不同溫度下的 PV 特性曲線 由圖 24 可以看出，短路電流隨溫度的升高而略有增加，開路電壓隨溫度的升高而大幅減少，所以，輸出功率是隨著溫度的升高而降低的。設(shè)在開路狀態(tài)下： I=0，V=Voc；在最大功率點(diǎn)處： V=Vm， I=Im。設(shè) T 為任意光照強(qiáng)度 S 及任意溫度 Tair 下的太陽能電池的溫度，則有： air ?? (28) 對于 IV 特性曲線上任意一點(diǎn) (V39。)有： TrefTdT ?? (29) scr e fr e f I1SSdTSSαdI ?????? ??? (210) dIRβdTdV s??? (211) dIII39。 ?? (213) 式中 α—— 參考光照強(qiáng)度下的電流溫度系數(shù)，取 (A/℃ )； β—— 參考光照強(qiáng)度下的電壓溫度系數(shù)，取 (V/℃ )。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 1Io6 . 8V o c5 . 5Vm25T r e f10000S r e fS co p e 1S a t u r a t i o n0 . 5RP r o d u ct 6P r o d u ct 5P r o d u ct 4P r o d u ct 3P r o d u ct 2P r o d u ct 1P r o d u cteuM a t hF u n ct i o n 2euM a t hF u n ct i o n 1lnM a t hF u n ct i o n0 . 1 7 5I s c0 . 1 5Im K G a i n 2 K G a i n 11G a i nD i vi d e 6D i vi d e 5D i vi d e 4D i vi d e 3D i vi d e 2D i vi d e 1D i vi d e1C o n s t a n t 51C o n s t a n t 41C o n s t a n t 31C o n s t a n t 21C o n s t a n t 11C o n s t a n t3t2v1s 圖 25 simulink 太陽能電池模型 太陽能電池是一種非線性電源，其最大功率點(diǎn)是隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化的。為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，需要在太陽能電池與負(fù)載之間接入 DC/DC 變換器，通過對 DC/DC 變化器的 PWM 驅(qū)動(dòng)。 因?yàn)樘柲茈姵氐?PV 曲線在最大功率點(diǎn)處的斜率是零，于是得到： 0dVdIVIdVdP ??? (214) 即： 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 11 VIdVdI ?? (215) 式 (215)就是實(shí)現(xiàn) MPPT 的條件，也就是說，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)的負(fù)值相同時(shí)，太陽能電池工作于最大工作點(diǎn)處。 輸 入 V （ k ） ， I （ k ）Δ V = V ( k ) V ( k 1 )Δ I = I ( k ) I ( k 1 )Δ V = 0Δ I / Δ V = I / V Δ I / Δ V I / V Δ I = 0Δ I 0Vr e f =Vr e f Δ Vr e f Vr e f =Vr e f +Δ Vr e fVr e f =Vr e f Δ Vr e fVr e f =Vr e f +Δ Vr e fV ( K 1 ) = V ( K )I ( K 1 ) = I ( K )返 回是是是是是否否否否否圖27 電導(dǎo)增量法計(jì)算流程圖 1P W MZ e r o O r d e rH o l d 2Z e r o O r d e rH o l d 1Z e r o O r d e rH o l d = 1S w i t c h 1 = 1S w i t c hS i g nS c o p e 4S c o p e 3S c o p e 2S c o p e 1S c o p eS a t u r a t i o nR e p e a t i n gS e q u e n c e= =R e l a t i o n a lO p e r a t o rP r o d u c t 2P r o d u c t 1P r o d u c tM e m o r y 2M e m o r y 1M e m o r y0C o n s t a n t 31C o n s t a n t 20 . 0 0 1C o n s t a n t 10C o n s t a n t2V1I圖 28 電導(dǎo)增量法的 simulink 仿真模塊 (2)升壓變換器 DC/DC 變換器采用 BOOST 電路，太陽能電池的輸出電壓 Upv就是 BOOST 電路的電源，設(shè) BOOST 電路的輸出電壓為 Uo。由上述工作原理，整理可得 BOOST 電路輸入電壓 Upv與輸出電壓 Uo之間的關(guān)系為：