【正文】 T)，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： M M MP I V??。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。 ( w )P( v )Vm a xPm a xVMP 圖 24 太陽能電池的 PV特性曲線 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 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，也就是說式 (23)中 SCI 強(qiáng)烈地控 制著 I 的大小。 ( W )P( A )I? ?VU? ?VU OO0 . 51 . 01 . 52 . 01 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 5 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 021000 W /mS ? 2800 W /mS ?2600 W /mS ?240 0 W /mS ?220 0 W /mS ?1 0 0 0 W8 0 0 W6 0 0 W4 0 0 W2 0 0 W 圖 25 不同日照下的 IV關(guān)系曲線圖 圖 26 不同日照下的 PV 曲線圖 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響 圖 27，圖 28 分別給出了太陽能電池陣列在日照射為 21000 /mW ，和在變化溫度 (T)的情況下，表現(xiàn)出典型的 IV 和 PV 特性。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯，見圖 28 中各實(shí)線的波峰的幅值變化。 本系統(tǒng)所采用的光伏電池 本課題所選用的是 SUNTEL 公司型號(hào)為 Msol50W 的單晶硅光伏電池的各項(xiàng)詳細(xì)資料如下： 1 電池板規(guī)格： 1008 453 35m m gK?? ， 2 電池的各項(xiàng)參數(shù)（各項(xiàng)數(shù)據(jù)均在光強(qiáng) 21000 /mW ，溫度 25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)得）： Peak power： 50W； Maximum power current： ； Maximum power voltage： ； Short circuit current： ； Open circuit voltage： ； 受溫度影響：α ( SCI )： +%/K；β (Voc)： %/K；γ ( MPPTP )： %lK。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 本系統(tǒng)采用的光伏電池的 IV 曲線為下圖 29 所示。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；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。電池按轉(zhuǎn)換能量方式分為兩大類：一類是物理電池，如太陽能電池；另一類是化學(xué)電池，即把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。其中，一次電池可分為：盒式鋅錳電池、扣式鋅銀電池、鋅空氣電池等。一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能。但可充電電池，又叫二次電池，可在應(yīng)用中放電，也可由充電器充電。充電和放電電流（安培）通常用電池額定容量的倍數(shù)表示，叫做充電速率（ Crate）。電池的額定容量（ Ah 或 mAh ）是電池在特定條件下完全放電所能儲(chǔ)存的電能。任何一種電池由四個(gè)基本部件組成，這四個(gè)主要部件是正負(fù)兩個(gè)電極、電解質(zhì)、隔膜和外殼。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 100%d d d dWAC C C CI U t UI U t U????? ? ??? (33) 式中 cU 和 dU 分別為蓄電池充放電時(shí)的平均電壓。 ? ?rQtSO CQ? (34) 式中 ??Qt 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)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 充放電特性 本系統(tǒng)中，采用閥控式密封鉛酸蓄電池 (VRLA 電池 )。 蓄電池內(nèi)阻與下列因素有關(guān)： a) 內(nèi)阻與容量成反比，內(nèi)阻越小，容量越大； b) 電解液比重越高，內(nèi)阻越?。? c) 在放電過程中，內(nèi)阻逐漸增加，在充電過程中內(nèi)阻逐漸減小。（實(shí)線為充電過程的變化，虛線為停充后的變化。充電中期，電勢(shì)增高漸慢（曲線的 ab 段）。如繼續(xù)充電，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)使蓄電池的內(nèi)阻增大，因而端電壓又繼續(xù)上升，如曲線中 bc 段。如果在 d 點(diǎn)停止充電，端電壓迅速降低（曲線的 de 段）。 應(yīng)當(dāng)指出，充電速度的快慢 (充電率的大小 )將影響到充電蓄電池的端電壓以及充電時(shí)間。如以10 小時(shí)率充電容量 (C)為 120Ah 的蓄電池，則充電電流為 120Ah/10h=12A，常用 10C中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 表示 10 小時(shí)率。 2 放電特性 dd bU E I r? ? ? (37) 式中 dU 為蓄電池放電時(shí)端電壓， E 為蓄電池電動(dòng)勢(shì)， dI 為蓄電池放電電流， br為蓄電池內(nèi)阻。（實(shí)線為放電過程的變化，虛線為停放后的變化。第二部分（曲線的 ab 段）的時(shí)間越長(zhǎng)，平均電壓就越高，其電壓特性也就越好。如果繼續(xù)放電，使電池的端電壓急劇下降，如圖中虛線部分的 cd 段 所示。一般規(guī)定的放電截止時(shí)的電壓稱為放電終止電壓。 鉛酸蓄電池 [27,30,44] 鉛酸蓄電池的電極是由鉛和鉛的化合物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。 鉛酸蓄電池使用含銻 5%～ 8%的鉛銻合金組成 隔板，在隔板上分別填充 Pb 和2PbO 作為負(fù)極和正極，兩者交替排列而成，在電極之間注入 30%的硫酸溶液。它既能儲(chǔ)存能量又能釋放能量，它能把其他能量轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來。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）。 24H S O4Pb ? ?2P bO Pb??2OH ?2H ?2OH ?2H ? 24SO ?24SO ?2Pb ?2? 圖 34 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理 其原理可通過下面的反應(yīng)方程式來表示： 負(fù)極： 2 4 4 22Pb H SO Pb SO H e?? ? ? ? (38) 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 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 2P b P bO H SO P bSO H O? ? ? ? (310) 鉛酸蓄電池的充放電特性 充電電流接收率與鉛酸電池充電特性 快速充電就是以大電流充電，在較短時(shí)間內(nèi)充入較多的電量，以此縮短充電時(shí)間。鉛酸電池的充電可接受電流是指其電解液只產(chǎn)生微量析氣的前提下所能夠接受的最大充電電流。由此可見， a 的數(shù)值越大則表示蓄電池的充電接受能力越強(qiáng)，其充電時(shí)間也就越短。當(dāng)充電電流大于充電可接受電流時(shí)，即處在 1 區(qū)域時(shí)則會(huì)導(dǎo)致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產(chǎn)生析氣反應(yīng)；當(dāng)充電電流在可接受電流曲線以下時(shí)，即處在 2 區(qū)域時(shí)，不產(chǎn)生析氣，此時(shí)充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W(xué)能量。 通過試驗(yàn)證明，鉛酸電池也具有按指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。固有充電特性曲線是蓄電池在充電過程中是否發(fā)生極化的分界線，充電電流的值一旦超過它，極化現(xiàn)象就會(huì)嚴(yán)重起來，就會(huì)使蓄電池產(chǎn)生析氣和升溫現(xiàn)象。如果嚴(yán)格按照固有特性曲線充電，就可以在不產(chǎn)生析氣和溫升 的情況下大大縮短充電時(shí)間。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。電池的充放電特 性是由自身的物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)過程決定的。鉛酸蓄電池產(chǎn)生極化可以分為歐姆極化，濃度極化和電化學(xué)極化。 (2) 濃度極化 隨著電極化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，生成物以及反應(yīng)物的擴(kuò)散遷移速度跟不上化學(xué)反應(yīng)的速度時(shí)，會(huì)造成從電極表面到中部溶液、電 解質(zhì)濃度分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為濃度極化。 極化問題是阻礙充電的重要因素，會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池在充電時(shí)初始電流 0I 受到一定的限制，同時(shí)初始電流 0I 的維持時(shí)間會(huì)變短并會(huì)出現(xiàn)一定速率的衰減。極化現(xiàn)象不消除，就無法實(shí)現(xiàn)電池組的快速充電，因此這是智能充電必須要解決的問題。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。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 41 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(zhǎng)，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。 但如果采用其它非能耗限流方式，還是有其優(yōu)越性。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。其充電特性如圖 所示。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。 ,UI tfUIU 圖 43 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)。快速充電就是采用大電流和高電壓對(duì)蓄電中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 池充電，在 12 小時(shí)內(nèi)把蓄電池充好 ，而且在這個(gè)過程中不會(huì)使蓄電池產(chǎn)生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高 (一般在 45℃ 以下 )。短時(shí)反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產(chǎn)生的極化。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。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。 雖說按照?qǐng)D 35所示的特性曲線進(jìn)行充電，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。因此還未見到在光伏系統(tǒng)中采用充電可接受電流控制的智能充電的研究報(bào)道。首先通過對(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；其次重點(diǎn)講解本系統(tǒng)所采用的鉛酸蓄電池，包括它的電極反應(yīng)、充放電特性等等；最后結(jié)合上一章對(duì)太陽能電池板的介紹，簡(jiǎn)單的對(duì)太陽能 蓄電池充電技術(shù)作了簡(jiǎn)單的研究。但是太陽能充電器的構(gòu)造又不其他的不同，下面就太陽能充電器的各部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 ① AT89S52 簡(jiǎn)介 AT89S52 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 41