高效太阳能充电系统的研究

浙江省大学生物理创新竞赛“科技创新竞赛”参赛作品（论文）高效太阳能充电系统的研究浙江工商大学通信0802 李 莹网络0801 汤 淇通信0802 裴优敏推荐精选高效太阳能充电系统的研究李 莹 汤 淇 裴优敏（浙江工商大学）摘要：介绍一种利用升压和降压模块的电路，对光伏板的输出电压进行自动调整，能够高效地给蓄电池进行充电。论述系统在强光和弱光下均能稳定地对蓄电池进行充电的电路调节原理，较好地解决了传统上利用电阻调压的高损耗问题。运用电感、电容等储能元件，真正做到了在调压过程中的低消耗，达到了高效充电的目的。通过对相关实验数据的分析，证明了该高效太阳能充电系统的特点及应用优势。关键字：太阳能 高效 升压 降压Research on Efficient Solar Battery SystemLI Ying TANG Qi PEI You-min(Zhengjiang Gongshang University)Abstract: We put forward a system which uses booster module and step-down module to adjust the output voltage of solar battery to achieve the goal of charging for battery effectively. This system can charge the battery steadily in both glare and weak light. Besides, it solves the problem of high voltage loss in traditional equipment which uses resistances only. Instead of resistances, we use electrical inductance and capacitance storage devices, etc. Through the analysis of experimental data, we prove the features and application advantages of this efficient solar battery system.Key Words: solar energy efficient booster step-down推荐精选1.物理背景人类寻找新能源的工作已经有相当久的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺迫使人们要更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。众所周知，照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着要将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。太阳能电池（即光伏板）是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光伏发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。2.工作原理高效太阳能充电系统的工作框如图1所示，主要由光伏板、控制继电器、光伏检测电路、升压和降压电路及蓄电池等组成。图1 系统工作框图推荐精选当光照比较弱时，光伏板输出电压在2V-6.5V左右时，升压电路工作，输出稳定的6.5V电压，对蓄电池进行充电。当光照比较强时，光伏板的输出电压大于6.5V时，降压电路工作，输出稳定的6.5V电压，对蓄电池进行充电。因此，不管在强光还是弱光下，电路都能对蓄电池进行充电，在很大程度上提高了太阳能的利用率。3.系统工作分析1) 光伏板输出电压检测及功能切换电路图2 光伏板输出电压检测电路图图2所示电路用来调节继电器的内控制开关的吸合与断开。J1为继电器，1、2脚为继电器内线圈， 4脚是常开引脚，接降压电路，5脚是常闭引脚，接升压电路。插座JP1接光伏板，光伏板输出电压Vin，经过R1、R2、R3分压，为TL431的输入电压（即R3两端的电压），当VR3大于TL431内部基准电压2.5V，即V时，TL431饱和导通，继电器线圈通电，继电器内常闭触点断开，常开触点闭合，接降压电路。发光二极管D10起指示作用。2) 升压电路推荐精选图3 升压电路当继电器线圈两端电压不满足吸合条件时，继电器内常闭触点闭合，常开触点断开，接升压电路，如图3示，当有电压输入时， Q1导通，提供Q2一个正向偏置电压，继而Q2导通，电流流过电感L1，L1开始储能，当L1达到磁饱和时，流过它的电流发生跳变，Q2的集电极电压上升，由于C7的耦合作用，Q1基极电压也随着跳变，Q1由导通变为截止，Q2也随之截止。由于L1的电流方向不能突变（自左向右），电流经过D1、D4给电池充电（L1释放能量），（左负右正）-，当时，Q3导通，给Q1基极提供正向偏置，继续维持Q1的截止状态。随着流过L1的电流减小，V1也随着减小，Q1的基极电压减小，进而Q1又导通，流过L1的电流增大，L1重新进入储能状态；重复上述过程，IL将在一定范围内波动。输出电压。二级管D4起防倒灌作用。3) 降压电路蓄电池充电电路分析，如图4所示，当开关闭合时，有电流流过L2，且逐渐增大，L2进行储能，此过程对C4和蓄电池进行充电，当V1的电压增加到一定值时，断开开关，由于L2的电流方向不能突变（自左向右），D6对此电流进行续流，L2的电流逐渐减小，此时C4对外放电，经过D9对蓄电池充电。图4 蓄电池充电电路分析图推荐精选当V1减小到一定值时，再闭合开关，流过L2的电流继而增大，重复上述过程。可见，图4电路的充电电压V1将在一定范围内上下波动。图4中开关可用脉冲波代替，脉冲波的高电平相当于开关闭合，脉冲波的低电平相当于开关断开。此脉冲波可由图5示电路提供。图5 脉冲波发生电路如图5示，V5为一锯齿波电压，电路导通时，电压比较器正极电压为V5，负极为0V，所以电压比较器7脚输出高电压（Vin），三极管Q4、Q5导通，此时V1=Vin1.4V，Q4、Q5未达到深度饱和。D5、R12和C3组成自举电路，将Q4基极电压升至2Vin1.4V ，Q4、Q5达到深度饱和，Q5集电极与发射极压差降至0.3V。随着电感L2电流的逐渐增大，电压V2也随之增大，电压比较器负极电压增大。当比较器负极电压大于正极电压V5时，比较器7脚输出低电压（如图6所示），三极管Q4、Q5随之截止。由于电感电流不能发生突变，二极管D6对电路续流，电容C4开始放电，继续对蓄电池充电。而随着电感L2的电流减小，电压V2也随之减小，电压比较器负极电压减小，比较器正极电压VC为锯齿波电压，会上下波动，当比较器负极电压又小于正极电压VC时，比较器7脚输出高电压（如图6所示），三极管Q4、Q5导通，重复上述过程，电压V2会稳定在一个较小的范围内，即实现了图4所示的功能。推荐精选图6 电压比较器电压波形图5中输入的锯齿波电压V5可由图7所示电路提供。图7 锯齿波发生电路如图7所示，R5、R6和D8起稳压作用，给比较器的3脚提供一个稳定的电压。当有电压输入时，电流流过R9和R10 对电容C5充电，逐渐增大，此时，比较器1脚输出高电推荐精选平（），进而对C5充电。当增加到一定值，使得（即）时，比较器1脚输出低电平（0V），C5开始放电，逐渐减小，当（即）时，比较器1脚输出高电平（），此时，又重新对C5充电，重复上述过程，将在一定范围内波动（如图8所示）。图8 输出锯齿波波形综上所述，即可得系统降压电路如图9所示，当继电器线圈两端电压满足吸合条件时，其内控制开关处于吸合状态，接降压电路（即图9）。图9 降压电路图4.技术分析在一般的太阳能充电系统中，光伏板只能工作在一定的光强下，当太阳光大于此光强时，光伏板能够输出一个大于蓄电池充电电压的电压，经过控制电路的作用，能够对蓄电池进行充电。但当太阳光小于此光强时，光伏板输出电压小于蓄电池充电电压，此时控制电路的作用并不能满足蓄电池的充电要求。而在利用光伏板对蓄电池充电的过程中，由于太阳光照强度的限制，光伏板的输出电压并不能时刻满足蓄电池的充电要求，蓄电池会时常处于充电中断状态，这既不利于蓄电池的利用，又是对于太阳光能的极大浪费推荐精选，而且一般的太阳能充电器功耗较大。基于我们研究的高效充电系统，我们对其进行相关数据的测量，具体如下：利用直流稳压电源模拟光伏板对蓄电池充电时，相关数据如表1示。表1 直流稳压电源模拟光伏板对蓄电池充电时相关数据记录表*电路输入电压 / V继电器工作状态二极管工作状态电流表示数 / mA 电路板输出电压 / V蓄电池充电电压/ V电路板空载输出电压 / V2.17常闭不亮06.5186.5186.6743.64常闭不亮2.56.5226.5206.7145.513常闭不亮76.5306.5236.8206.308常闭不亮76.5356.5296.8657.670吸合亮06.5296.5296.6018.257吸合亮06.5626.5616.5909.311吸合亮856.7146.6336.698由上表分析可得，在电路输入压较小的时候，对应于光照强度较弱时光伏板的输出，电路工作在升压装置。第一组数据由于电流较小，电流表的量程较大，几乎没有示数。随着输入电压的增大，相当于光照强度加强，电路输出的电压稳定在6.5V左右。当输入电压加大到一定值时，继电器吸合，电路工作在降压充电装置，输出电压稳定在6.5V左右。继电器刚刚吸合时，由于电流较小，电流表的量程较大，几乎没有示数。 可见，我们研究的高效太阳能充电系统能够在强弱光下都能给蓄电池提供一个稳定的电压，对其进行充电，而且充电过程中功耗较小，这就克服了一般太阳能充电器在弱光下不能对蓄电池进行充电的弊端，大大提高了太阳能的利用率。5. 应用前景太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，应该说太阳能推荐精选 * 电流表的量程为0100mA，蓄电池的电压为6.5V的使用已经进入了我们生活的每一部分。我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，2010年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW（1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%），至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW（届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元），至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。按此计划推算，2010-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上。其中并网应用会有较大的发展，从而形成并网发电（约46%）、离网供电（约27%）和通讯机站（约21%）3个主要应用领域，光伏产业拥有很好的发展前景。世界上太阳能光伏的广泛应用，导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨，这样的形势就更加需要我们改进技术，提高太阳能的使用效率。该系统通过电路的设计对电压的调整，不管在强光还是弱光下，都能利用光伏板对蓄电池进行充电，在很大程度上提高了太阳能的利用率。此外，该系统还能利用到并网发电中，大大提高太阳能发电的效率。目前提出了低碳型社会，提倡清洁无污染的能源，对太阳能的利用势必会更加看重与增大投入。社会上已经出现了以电力驱动的交通工具，但由于蓄电池储存电能有限，当交通工具长时间处于运行状态时，中途对蓄电池充电成为很不方便的因素，我们的太阳能充电系统不仅能适时的对蓄电池进行充电，而且由于他在较弱光强下也能对太阳能加以利用，减少了充电时间，扩大了其工作范围，同时可以在交通工具工作时对蓄电池充电，大大提高了交通工具的工作效率。此系统对家庭小型太阳能发电装置等也很有现实利用价值。综上所述，该系统的应用前景是相当可观的。6结束语高效太阳能充电系统能相对不受光强的限制，在强光和弱光的情况下均能对蓄电池进行充电，提高了光能的利用率。并且该太阳能充电系统不会对坏境造成污染，符合当今社会的低碳潮流与要求。此外，经进一步的研究和推广，该系统可以运用到很多相关领域，为清洁新能源的开发利用提供了参考。推荐精选参考文献1 康华光, 陈大钦, 张林.电子技术基础. 高等教育出版社. 20062 孙超, 郭勇, 陈新.独立光伏系统中太阳能充电器的研究.电力电子技术. 2009年4月附录：1.系统工作原理图图 10 系统工作原理图推荐精选2.高效太阳能充电系统实物图图11 系统实物图一图12 系统实物图二 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选