單片機(jī)控制的太陽(yáng)能充電器（硬件

1、中 國(guó) 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)姓 名： XXX 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 設(shè)計(jì)題目： 單片機(jī)控制的太陽(yáng)能充電器（硬件） 專(zhuān) 題： 指導(dǎo)教師： XXX 職 稱(chēng)： 副教授 2009年 6 月 徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)院 信電學(xué)院 專(zhuān)業(yè)年級(jí)電氣工程與自動(dòng)化2005-1 學(xué)生姓名XXX 任務(wù)下達(dá)日期：2009 年 2 月 16 日畢業(yè)設(shè)計(jì)日期：2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 20 日畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的太陽(yáng)能充電器（硬件） 畢業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：（1）主觀上能以認(rèn)真的態(tài)度對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)；（2）能積極

2、主動(dòng)與教師聯(lián)系；（3）具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力；（4）掌握太陽(yáng)能電池板的工作原理和蓄電池充電方法；（5）掌握51系列單片機(jī)的使用；（6）完成Protel制作的單片機(jī)控制的太陽(yáng)能充電器的原理圖；（7）完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容有關(guān)的英文翻譯（近三年的文獻(xiàn)），不少于3000漢字；（8）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：摘 要在污染和能源口趨緊張的背景下，太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受到人們的重視。本文試圖設(shè)計(jì)一種切實(shí)可行的太陽(yáng)能充電控制器，通過(guò)對(duì)蓄電池充電，滿(mǎn)足小功率的用戶(hù)需求。本文重點(diǎn)研究了用AT89S52實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能充電控制技術(shù)。

3、詳細(xì)介紹了100瓦太陽(yáng)能電池板向12伏蓄電池充電的太陽(yáng)能控制器硬件系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、各部分電路的功能、工作原理和電子元器件型號(hào)的選取。硬件系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源電路，A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池端電壓的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及轉(zhuǎn)換、AT89S52控制以及輸出繼電器開(kāi)關(guān)電路四個(gè)部分組成，完成了整個(gè)太陽(yáng)能充電控制器電路原理圖的設(shè)計(jì)和制作。用PROTEUS仿真軟件進(jìn)行了電路仿真，并且制作了相應(yīng)的電路板。但是由于時(shí)間關(guān)系，沒(méi)能完成實(shí)物的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文還對(duì)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)原理、太陽(yáng)能電池板的伏安特性、常用的鉛酸蓄電池原理及工作情況作了詳細(xì)介紹，并在此基礎(chǔ)上介紹常用的蓄電池充電方法。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能； 蓄電池； 充電控制；

4、 AT89S52； ADC0809ABSTRACTAgainst the background of energy shortage and its pollution, solar energy as a new kind of energy has a lot of advantages such as large reserves, economic, cleanliness and so on. So, people begin to pay more attention to the use of solar energy. The paper designs a feasible

5、solar energy charging controller and storage batteries are charged to meet the needs of low-power users.This article focuses on the use of single-chip realization of solar charge control technology. 100-watt solar panels to 12-volt solar battery charge controller hardware system is detailed, includi

6、ng system hardware circuit design, the various parts of the circuit functions, working principles and models of selected electronic components. Hardware system is composed of four parts, which are DC regulated power supply circuit, A / D to achieve on the battery terminal voltage of the dynamic moni

7、toring and conversion, AT89S52 relay control and output switching circuit. And finish the entire solar charge controller circuit schematic design and production. PROTEUS simulation with circuit simulation software was accomplished, and a corresponding circuit board was produced. However, due to time

8、 constraints, failed to complete the kind of experimental test.In this paper, also the structure of the principle of solar cells, solar panels of the Volta metric characteristics of lead-acid batteries commonly used in the work of principle was detailed, and the basis of methods commonly used on rec

9、hargeable batteries was introduced.Key words: solar; battery; charge control; AT89S52; ADC0809目 錄摘 要iABSTRACTii1 緒論11.1 課題研究背景11.1.1 當(dāng)前面臨的能源和環(huán)境問(wèn)題11.1.2 太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用21.1.3 光伏發(fā)電的特點(diǎn)31.2 蓄電池充電系統(tǒng)31.2.1充電器的發(fā)展及其簡(jiǎn)單的類(lèi)型31.2.2 太陽(yáng)能充電器41.3 本課題研究的主要內(nèi)容52 太陽(yáng)能電池的研究和分析62.1 太陽(yáng)能電池的原理62.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)62.3 太陽(yáng)能電池的等效電路72.4 太陽(yáng)能電池板

10、的輸出特性及影響因素82.4.1光伏電池的主要參數(shù)82.4.2太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響102.4.3 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響102.4.4 本系統(tǒng)所采用的光伏電池112.5 本章小結(jié)123 蓄電池133.1 蓄電池的概念及其一般特性133.1.1 電池的定義133.1.2 主要參數(shù)指標(biāo)133.1.3 充放電特性153.2 鉛酸蓄電池163.2.1 鉛酸蓄電池的電極反應(yīng)173.2.2 鉛酸蓄電池的充放電特性183.3 太陽(yáng)能-蓄電池充電技術(shù)研究203.3.1 恒流充電203.3.2 恒壓充電213.3.3 恒壓限流充電223.3.4 兩階段、三階段充電223.3.5 快速充電

11、223.3.6 智能充電233.4 本章小結(jié)234 太陽(yáng)能充電控制器的研究及設(shè)計(jì)244.1太陽(yáng)能充電器原理244.1.1 主控芯片的設(shè)計(jì)244.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809簡(jiǎn)介284.1.3 電源模塊的設(shè)計(jì)304.1.4 分頻器的設(shè)計(jì)304.1.5 外圍電路的設(shè)計(jì)304.1.6 ADC0809與AT89S52接口324.1.7 74LS00334.2 單片機(jī)的防干擾技術(shù)354.2.1 干擾分析354.2.2 硬件抗干擾方法364.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概述374.4 本章小結(jié)395 結(jié)論405.1 全文工作總結(jié)405.2 進(jìn)一步工作設(shè)想40致 謝42參考文獻(xiàn)43翻譯部分45中文譯文45英文原

12、文531 緒論1.1 課題研究背景1.1.1 當(dāng)前面臨的能源和環(huán)境問(wèn)題1,2,3,4能源猶如人體的血液。能量以電的形式出現(xiàn)，是現(xiàn)代社會(huì)文明的重要標(biāo)志和基礎(chǔ)，“電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”這個(gè)論斷已經(jīng)成為共識(shí)。人們總是盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，電力在終端能源中的比例正在不斷提高。但是隨著電能利用比例的提高，也帶來(lái)了很多的問(wèn)題。一方面，用于發(fā)電的傳統(tǒng)一次能源如煤、石油等的儲(chǔ)藏量有限。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加，目前人類(lèi)所利用的石油、天然氣和煤炭等化石能源正在逐步消耗，能源危機(jī)已經(jīng)展現(xiàn)在人類(lèi)面前。根據(jù)目前所探明的儲(chǔ)量和消費(fèi)量計(jì)算，石油可用40多年，天然氣可用60多年，煤可用200年左右。中

13、國(guó)的能源資源儲(chǔ)量情況更是危機(jī)逼人，中國(guó)各種一次能源資源均低于世界平均水平，中國(guó)的能源需求面臨著更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。國(guó)家1999年政府白皮書(shū)估計(jì)，目前我國(guó)石油可供開(kāi)采20年；天然氣可供開(kāi)采60年；煤炭剩余量稍顯富裕，但可供開(kāi)采不足百年。而且隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展、人口的持續(xù)增長(zhǎng)等，整個(gè)世界面臨著能源需求量成倍增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。另一方面，成倍的能源供應(yīng)的背后蘊(yùn)藏著巨大的危害，并且其影響越來(lái)越大，這就是由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)前，化石燃料的燃燒已經(jīng)給人們的生活環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)：大氣中的顆粒物和二氧化硫濃度增高，由此帶來(lái)的直接災(zāi)難就是酸雨，在嚴(yán)重被污染的大氣中人類(lèi)和其他生物的健康遭受著痛苦的折磨；大量碳化物的燃燒使

14、得大氣中的二氧化碳濃度持續(xù)增加，溫室效應(yīng)越趨明顯，并且這種勢(shì)頭正在延續(xù)，由此帶來(lái)的直接災(zāi)難就是大氣變暖、水平面上升等。這種由環(huán)境污染衍生的環(huán)境效應(yīng)具有滯后性，往往在污染發(fā)生的當(dāng)時(shí)不容易被察覺(jué)或預(yù)料到，然而一旦發(fā)生就表示環(huán)境污染已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)嚴(yán)重的地步。環(huán)境污染所帶來(lái)的最直接、最容易被人們所感受的后果就是使人類(lèi)環(huán)境的質(zhì)量下降，影響人類(lèi)的生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動(dòng)。如不采取積極措施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，將會(huì)嚴(yán)重威脅到人類(lèi)社會(huì)的生存空間。隨著經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的全球化，環(huán)境污染也日益呈現(xiàn)國(guó)際化趨勢(shì)。因此，無(wú)論是從確保長(zhǎng)期的能源供應(yīng)，還是從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)利用取之不竭而又沒(méi)有公害的新能源己是勢(shì)在必行。由此

15、在開(kāi)發(fā)和使用能源的同時(shí)，保護(hù)好人類(lèi)賴(lài)以生存的地球環(huán)境與生態(tài)已經(jīng)成為一個(gè)全球性的重要問(wèn)題。因此節(jié)約能源、發(fā)展清潔干凈的新能源和再生能源是勢(shì)在必行的。1.1.2 太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用4,5,6,7,8,正如上面所說(shuō)的一樣，能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，21世紀(jì)是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革的世紀(jì)。當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的不斷惡化，傳統(tǒng)能源(如煤、石油、天然氣等)的供給已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺局面，人類(lèi)開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的發(fā)展。大規(guī)模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源，以資源無(wú)限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣性的能源結(jié)構(gòu)代

16、替以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)己成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料，仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀藗儗?duì)核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑺δ?、生物能等可再生能源資源的利用日益重視，在整個(gè)能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，可再生能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。其中，可再生能源主要有以下幾個(gè)方面： 太陽(yáng)能：據(jù)天文物理學(xué)家的計(jì)算表明，太陽(yáng)系還能存在45億年，太陽(yáng)每年輻射到地球的總能量相當(dāng)于人類(lèi)能源消耗的1.2萬(wàn)倍。 氫能源：利用自然界大量存在的水，由電解水產(chǎn)生氫，或者由太陽(yáng)能光催化水分解氫。

17、風(fēng)力發(fā)電、小水電與潮汐發(fā)電：可提供可觀的電力。 生物能：包括城市垃圾的轉(zhuǎn)化、人類(lèi)糞便的轉(zhuǎn)化等。這些能源原本是人類(lèi)的廢棄物所轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的，只要有人類(lèi)的存在，就會(huì)有生物能，所以這種能源也可以說(shuō)是用之不竭的。 核能：與傳統(tǒng)能源的發(fā)電廠相比，核能的利用率較高，對(duì)環(huán)境的污染小，并且使用核燃料的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃料的成本，而核燃料所釋放出來(lái)的能量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)能源所釋放出來(lái)的能量。其中，太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽(yáng)能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因?yàn)樗哂幸韵碌奶攸c(diǎn)： 存儲(chǔ)量巨大：太陽(yáng)能是取之不盡

18、的可再生能源，可利用量巨大。太陽(yáng)放射的總輻射能量大約是W，是極其巨大的。其中到達(dá)地球的能量高達(dá)KW，穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能大約為KW。在到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為W，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬(wàn)五千多倍。太陽(yáng)的壽命至少尚有40億年，相對(duì)于人類(lèi)歷史來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)可源源不斷供給地球能源的時(shí)間可以說(shuō)是無(wú)限的。 取之不盡，不需要開(kāi)采和運(yùn)輸。 清潔無(wú)污染，無(wú)任何物質(zhì)的排放，既不會(huì)留下污染物，也不會(huì)向大氣中排放廢氣。1.1.3 光伏發(fā)電的特點(diǎn)10,17,40,43太陽(yáng)能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單

19、一；而光伏發(fā)電可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)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。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽(yáng)光輻射，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流。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(wú)污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。太陽(yáng)能不用燃料，運(yùn)行成本很小，并且發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡(jiǎn)單； 利用的場(chǎng)合廣泛和靈活，既可以獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)并行運(yùn)行； 可作為電力用戶(hù)供電可靠或提高電能質(zhì)量的不停電電源； 接近負(fù)載中心，減少電網(wǎng)的線(xiàn)損；

20、發(fā)電的效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變； 就地可去，無(wú)需運(yùn)輸。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(yáng)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(yáng)電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。由于太陽(yáng)能存在上述的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度的重視，發(fā)展很快。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(guò)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(lái)。1.2 蓄電池充電系統(tǒng)27311.2.1充電器的發(fā)展及其簡(jiǎn)單的類(lèi)型充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術(shù)近年來(lái)發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷

21、了三個(gè)階段： 限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過(guò)渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時(shí)間，沒(méi)有次數(shù)，比如10年。這種充電模式的效果較差。 恒流/限壓式充電器這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場(chǎng)近半個(gè)世紀(jì)。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。 自適應(yīng)智能充電器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設(shè)備進(jìn)入了一個(gè)全新的自適應(yīng)、智能階段，即稱(chēng)為第三代充電器。自適應(yīng)充電器遵循各類(lèi)電池的充、放電規(guī)律

22、進(jìn)行充、放電。并且具有溫度補(bǔ)償功能。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機(jī)控制，不斷檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應(yīng)不同種類(lèi)電池的充電，充電器自適應(yīng)調(diào)整自己的輸出電流，無(wú)需人工選擇，避免操作失誤。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，相應(yīng)的就出現(xiàn)了各種類(lèi)型的充電器，以下就是一些簡(jiǎn)單的充電器類(lèi)型：普通型充電器 這是最基本和最常用的一種簡(jiǎn)單型充電器，實(shí)際上就是一個(gè)變壓器降壓、二級(jí)管整流電路；可調(diào)型充電器 簡(jiǎn)單地說(shuō)就是電池充電可調(diào)節(jié)，它是根據(jù)充電電池的電壓來(lái)調(diào)節(jié)充電的方式；自動(dòng)型充電器 顧名思義就是可以實(shí)現(xiàn)充電自動(dòng)化的裝置，它分為全自動(dòng)型和半自動(dòng)型，大多都可以進(jìn)行軟件編程，通過(guò)為處理起來(lái)

23、實(shí)現(xiàn)特定的功能；多功能型充電器 就是可是實(shí)現(xiàn)多種功能的充電器，它的作用不僅僅局限于充電了，比如穩(wěn)壓充電器、恒流-恒壓充電器，具有自檢功能的充電器、具有停電記憶充電器、帶放電功能的充電器等等；還有其他許多的充電器，比如快速型充電器、恒流型充電器、太陽(yáng)能充電器，都是在充電器發(fā)展的過(guò)程中逐漸產(chǎn)生的。1.2.2 太陽(yáng)能充電器太陽(yáng)能充電器與市面上的一般市電充電器相比有好多不相同的地方。一般的市電充電器都是在引出來(lái)電網(wǎng)電壓之后先進(jìn)行降壓處理，再通過(guò)整流裝置給各種蓄電池充電，這種充電器的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)市電穩(wěn)定時(shí)它可以提供穩(wěn)定的充電平臺(tái)。太陽(yáng)能充電器由太陽(yáng)能電池組件或者一些其他的光伏裝置供電，輸入電壓一般都比較低

24、，所以給蓄電池充電時(shí)可以直接連接蓄電池或者增加一級(jí)升壓裝置。另外，太陽(yáng)能充電器可以很方便的攜帶，這樣它在一些比較惡劣的環(huán)境下也能夠提供充電作用。因此，太陽(yáng)能充電器有著很大的發(fā)展前景。在簡(jiǎn)單的了解了太陽(yáng)能充電器與一般市電充電器的差別，但是無(wú)論在細(xì)節(jié)上有多大的差別，其總體設(shè)計(jì)思路是一樣的：都是電源供電、充電控制、蓄電池和負(fù)載這幾部分構(gòu)成，圖1-1就表示了太陽(yáng)能充電控制器的整體結(jié)構(gòu)。圖1-1 單片機(jī)控制太陽(yáng)能充電器的結(jié)構(gòu)1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 分析太陽(yáng)能電池板和蓄電池的特性。 根據(jù)太陽(yáng)能電池輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計(jì)蓄電池的充電控制方法。 設(shè)計(jì)充電控制系統(tǒng)的外圍電路。 編寫(xiě)單片機(jī)的執(zhí)行程序。

25、 調(diào)試、實(shí)驗(yàn)硬件電路，保證可以實(shí)現(xiàn)既定功能。2 太陽(yáng)能電池的研究和分析2.1 太陽(yáng)能電池的原理8,9太陽(yáng)能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。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)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。薄片的另一?cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效應(yīng)。太陽(yáng)能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對(duì)于半導(dǎo)體P-N結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽(yáng)能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)大面積二極管

26、，其基本特性也與二極管類(lèi)似。當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子-電子和空穴。半導(dǎo)體內(nèi)在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，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(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在P-N結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏特電動(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線(xiàn)，接通負(fù)載，外電路則有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可付諸實(shí)用的電能

27、。另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍(lán)色氧化硅薄膜以減少入射太陽(yáng)光的反射，提高太陽(yáng)能電池對(duì)于入射光的吸收率。2.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)9,13,14目前，有許多材料可以用來(lái)做太陽(yáng)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。全世界應(yīng)用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵晶體材料以及非晶硅等薄膜材料。從對(duì)太陽(yáng)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(lái)看，每種光伏材料各有其有缺點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池板繁多，根據(jù)太陽(yáng)能電池板所用材料的不同可分為： 硅太陽(yáng)能電池； 以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物，硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽(yáng)能電池

28、； 功能高分子材料(有機(jī)半導(dǎo)體)制備的大陽(yáng)能電池； 納米晶太陽(yáng)能電池等。這里采用的是硅太陽(yáng)能電池。硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。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).開(kāi)發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池，電池轉(zhuǎn)化效率20%左右。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)較大效率衰退問(wèn)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。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與結(jié)晶硅電池相比轉(zhuǎn)換效率偏底，但其成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，受到人們普遍的重視并得到迅速發(fā)展，電池最高轉(zhuǎn)換效率

29、為10%左右。2.3 太陽(yáng)能電池的等效電路17,20,45光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)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(shí)，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作P-N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P-N結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2-1表示的等效電路來(lái)考慮。圖2-1理想狀態(tài)的太陽(yáng)能電池等效電路圖在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓V和流過(guò)負(fù)荷的電流I之間的關(guān)系式，可由下式給出。 (2-1)當(dāng)I=0時(shí)，可以得到太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 (2-2)其中I為電池單元輸出電流；為PN結(jié)電流(A)；為二極管的反向飽和電流(A)；為外加電壓(V)；q是單位電荷(

30、庫(kù)侖)；K是玻耳茲曼常數(shù)()；是絕對(duì)溫度()；n為二極管指數(shù)。但是在實(shí)際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)表示。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(guò)負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖2-2來(lái)描述，其伏安特性可由2-2式給出。圖2-2 實(shí)際光伏電池等效電路 (2-3)此式叫做光伏電池的超越方程式。2.4 太陽(yáng)能電池板的輸出特性及影響因素12,13,42,44光伏電池的輸出特性包括伏安

31、特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過(guò)I-V和P-V特性曲線(xiàn)來(lái)加以體現(xiàn)。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對(duì)其進(jìn)行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。2.4.1光伏電池的主要參數(shù)光伏電池的幾個(gè)重要技術(shù)： 短路電流：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。 開(kāi)路電壓：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。 最大功率點(diǎn)電流()：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 最大功率點(diǎn)電壓()：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。 最大輸出功率()：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。 填充因子 (2-4) 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率與

32、陽(yáng)光投射到電池表面上的功率之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率，。以上各個(gè)參數(shù)可以在圖2-3中表示如下：圖2-3太陽(yáng)能電池的I-V特性關(guān)系曲線(xiàn)圖2-3中，在I-V曲線(xiàn)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)。M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流為最佳工作電流，為最佳工作電壓，為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。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)，從而求出最大輸出功率：。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因?yàn)樗芴?yáng)能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電

33、阻的影響，其特性方程由公式2.3可知一個(gè)超越指數(shù)方程，無(wú)法用線(xiàn)性方程表示，具有非線(xiàn)性。圖2-4可表示太陽(yáng)能電池的P-V曲線(xiàn)。圖2-4太陽(yáng)能電池的P-V特性曲線(xiàn)從圖2.3可見(jiàn)，和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(xiàn)范圍內(nèi)這個(gè)面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。如果在一定光照下的I-V特性曲線(xiàn)是理想的矩形，那么和乘積就等于和的乘積。對(duì)實(shí)際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來(lái)表征光電池的這一特性，填充因子FF定義為式2-4。它表示最大輸出功率的值所占的以和為邊長(zhǎng)的矩形面積的百分比，填充因子是表征光電池的輸出特性好壞的重要參數(shù)之一。它的值越大，表明輸出特性曲線(xiàn)越“

34、方”，電池的轉(zhuǎn)換效率也越高。2.4.2太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響圖2-5、圖2-6分別是太陽(yáng)能電池陣列在溫度為25時(shí)，不同日照(S)下表現(xiàn)出的電流-電壓(I-V)和功率-電壓(P-V)特性。從圖2-5可知，太陽(yáng)能電池陣列的輸出短路電流()和最大功率點(diǎn)電流()隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大，也就是說(shuō)式(2-3)中強(qiáng)烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對(duì)陣列的輸出開(kāi)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(lái)說(shuō)，變化顯著，如圖2-6中虛線(xiàn)與各實(shí)線(xiàn)的交點(diǎn)所示。圖2-5不同日照下的I-V關(guān)系曲線(xiàn)圖 圖2-6不同日照下的P-V曲線(xiàn)圖2.4.3 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響圖2-7

35、，圖2-8分別給出了太陽(yáng)能電池陣列在日照射為，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的I-V和P-V特性。可以看出，溫度對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流影響不大，但對(duì)它的輸出開(kāi)路電壓影響較大。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯，見(jiàn)圖2-8中各實(shí)線(xiàn)的波峰的幅值變化。 圖2-7不同溫度下的I-V特性曲線(xiàn) 圖2-8不同溫度下的P-V特性曲線(xiàn)綜上，太陽(yáng)能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)： 太陽(yáng)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(kāi)路電壓時(shí)近似為恒壓源； 開(kāi)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(yáng)能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線(xiàn)性變化； 輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽(yáng)

36、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。2.4.4 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M-sol50W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：2電池的各項(xiàng)參數(shù)（各項(xiàng)數(shù)據(jù)均在光強(qiáng)，溫度25的標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)得）：Peak power：50W；Maximum power current：2.9A；Maximum power voltage：17.2V；Short circuit current：3.2A；Open circuit voltage：21.6V；受溫度影響：()：+0.05%/K；(Voc)：-

37、0.33%/K；()：-0.46%lK。表2-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)U（V）25.1125.0725.0424.9824.8024.5524.2724.0423.75I（A）0.260.290.310.360.480.640.800.931.07U（V）23.5722.9122.5021.9119.0515.7510.788.555.10I（A）1.151.421.561.722.132.242.262.272.28其開(kāi)路電壓和短路電流分別為=25.43V，=2.24A。本系統(tǒng)采用的光伏電池的I-V曲線(xiàn)為下圖2-9所示。圖2-9 本系統(tǒng)所采用的蓄電池的I-V曲線(xiàn)2.5 本章小結(jié)本章內(nèi)容主要介紹太陽(yáng)能電池

38、板的相關(guān)知識(shí)。首先介紹了太陽(yáng)能電池的原理，即太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的原理；其次對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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。3 蓄電池太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽(yáng)電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。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。3.1 蓄電池的概念及其一般特性2731,43453.1.1 電池的定義在現(xiàn)代技術(shù)中電池有了更為精確地定義：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨(dú)立化學(xué)系統(tǒng)。電池按轉(zhuǎn)換能量方式分為兩

39、大類(lèi)：一類(lèi)是物理電池，如太陽(yáng)能電池；另一類(lèi)是化學(xué)電池，即把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置?；瘜W(xué)電池按工作性質(zhì)可分為：一次電池（原電池）；二次電池（可充電電池）。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。二次電池可分為：鎳鎘電池、氫鎳電池、鋰電池和鉛酸蓄電池等。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。原電池放電導(dǎo)致化學(xué)成分永久和不可逆的改變。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。所以二次電池儲(chǔ)存能量，而不是產(chǎn)生能量。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（C-rate）。例如，對(duì)于額定為1安培時(shí)的電池，C/

40、10的放電電流等于。電池的額定容量（或）是電池在特定條件下完全放電所能儲(chǔ)存的電能。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時(shí)。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。3.1.2 主要參數(shù)指標(biāo)描述蓄電池特性的參數(shù)有很多，主要的有：蓄電池的充放電容量、蓄電池效率、荷電狀態(tài)、放電深度和蓄電池壽命等。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。下面介紹其中一些參數(shù)的概念及相互間的關(guān)系。1 蓄電池充放電容量蓄電池充電容量：蓄電池充電時(shí)消耗的電量。 (3-1)式中為充電電流，為充電時(shí)間。蓄電池放電容量：完全充足電的蓄電池在一定放電條件下

41、放出的電量。 (3-2)式中為放電電流，為放電時(shí)間。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。b) 電解液的溫度當(dāng)電解液溫度在10-35變化時(shí)，溫度每升高1，蓄電池容量約增加額定容量的0.008。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。2 蓄電池效率放電時(shí)能放出的全部電量與充電時(shí)充入的全部電量的百分比?？捎冒矔r(shí)效率或瓦時(shí)效率表示，它們的關(guān)系為 (3-3)式中和分別為蓄電池充放電時(shí)的平均電壓。3 荷電狀態(tài)(SOC)己充電量與蓄電池額定容量的比值。 (3-4)式中是蓄電池實(shí)際帶電量，是額定容量。荷電狀態(tài)是

42、描述蓄電池實(shí)際工作狀態(tài)的重要參數(shù)。4 放電深度(DOD)蓄電池放電量與額定容量的比值。 (3-5)5 蓄電池壽命a) 浮動(dòng)充電壽命：蓄電池保持在浮動(dòng)充電條件下的使用壽命。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。b) 循環(huán)壽命：在一定的充電條件下，蓄電池被全充全放的次數(shù)。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)。選擇放電深度30-50%，環(huán)境溫度10-25可充分延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。3.1.3 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)。它的充放電特性如下：1 充電特性 (3-6)式中為蓄電池充電時(shí)端電壓，為蓄電池電動(dòng)勢(shì)，為蓄電池充電電流，為蓄電池內(nèi)阻

43、。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?。籧) 在放電過(guò)程中，內(nèi)阻逐漸增加，在充電過(guò)程中內(nèi)阻逐漸減小。當(dāng)以穩(wěn)定的電流對(duì)蓄電池充電時(shí)，由于蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，從而蓄電池內(nèi)阻發(fā)生變化，引起蓄電池端電壓的變化如圖3-1所示。（實(shí)線(xiàn)為充電過(guò)程的變化，虛線(xiàn)為停充后的變化。）圖3-1充電時(shí)端電壓的變化曲線(xiàn)在充電初期，蓄電池的端電壓升高很快（曲線(xiàn)的段）。充電中期，電勢(shì)增高漸慢（曲線(xiàn)的段）。充電后期，端電壓比較緩慢地上升。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(xiàn)中段。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲線(xiàn)的段時(shí)，如再繼續(xù)充電，端電

44、壓也不再升高，只是無(wú)謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。如果在d點(diǎn)停止充電，端電壓迅速降低（曲線(xiàn)的段）。隨后端電壓慢慢地下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（曲線(xiàn)的段）。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。充電率的大小是指在一定時(shí)間內(nèi)將蓄電池充滿(mǎn)所需電流的大小。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，常用表示10小時(shí)率。在充電末期采用較小的充電電流有益于電池的使用壽命延長(zhǎng)。2 放電特性 (3-7)式中為蓄電池放電時(shí)端電壓，E為蓄電池電動(dòng)勢(shì)，為蓄電池放電電流，為蓄電池內(nèi)阻。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時(shí)，蓄電池端電壓的變化如圖所示。（實(shí)

45、線(xiàn)為放電過(guò)程的變化，虛線(xiàn)為停放后的變化。）圖3-2蓄電池放電時(shí)端電壓的變化曲線(xiàn)由放電曲線(xiàn)可知，放電曲線(xiàn)基本由三部分組成：放電開(kāi)始（曲線(xiàn)的段）短時(shí)間內(nèi)電壓快速下降，然后電壓緩慢下降（曲線(xiàn)的段）；最后端電壓在極短的時(shí)間內(nèi)迅速降低（曲線(xiàn)的段）。第二部分（曲線(xiàn)的段）的時(shí)間越長(zhǎng)，平均電壓就越高，其電壓特性也就越好。放電至c點(diǎn)時(shí)，放電便告結(jié)束。如果繼續(xù)放電，使電池的端電壓急劇下降，如圖中虛線(xiàn)部分的段所示。這種現(xiàn)象叫過(guò)放電，雖然能放出部分能量，如經(jīng)常過(guò)放電會(huì)降低蓄電池的充電、放電反應(yīng)速度，加速蓄電池的老化和降低其使用容量。一般規(guī)定的放電截止時(shí)的電壓稱(chēng)為放電終止電壓。如果停止放電，則鉛蓄電池的端電壓立即回升，

46、如圖中曲線(xiàn)的虛線(xiàn)部分段所示。3.2 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。一般由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線(xiàn)端子等部分組成。鉛酸蓄電池使用含銻5%8%的鉛銻合金組成隔板，在隔板上分別填充和作為負(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。如圖3-3所示圖3-3鉛酸蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池是一種利用化學(xué)反應(yīng)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿碾娀瘜W(xué)電源設(shè)備。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(lái)。3.2.1 鉛酸蓄電池的電極反應(yīng)鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下

47、，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（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（），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）?？梢?jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)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3-4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)。圖3-4鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理其原理可通過(guò)下面的反應(yīng)方程式來(lái)表示：負(fù)極： (3-8)正極： (3-9)總反應(yīng)： (3-10)3.2.2 鉛酸蓄電池的充放電特性3.2.2.1 充電電流接收率

48、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。但是，電池可接受充電電流是有限度的。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。1967 年美國(guó)學(xué)者麥斯(J. A. Mas)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)提出了電池充電可接受電流定律，如式3-4 所示 (3-11)上式中：電池可接受的充電電流；開(kāi)始充電(t=0)時(shí)電池可接受的最大充電電流；a充電可接受電流衰減常數(shù)(接收率)，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，a=I /C，其中I 為任意充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流，C 表示蓄電池的容量。由此可見(jiàn)，a 的數(shù)值越大則表示蓄電池的充電接受能力越

49、強(qiáng)，其充電時(shí)間也就越短。電池在充電過(guò)程中其充電可接受電流按圖3-5 所示，具有指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。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(xiàn)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。在1 區(qū)域時(shí)，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。通過(guò)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。充電過(guò)程中，如果能使實(shí)際的充電電流始終靠近可接受充電電流曲線(xiàn)，就可使充

50、電所需的時(shí)間縮短。固有充電特性曲線(xiàn)是蓄電池在充電過(guò)程中是否發(fā)生極化的分界線(xiàn)，充電電流的值一旦超過(guò)它，極化現(xiàn)象就會(huì)嚴(yán)重起來(lái)，就會(huì)使蓄電池產(chǎn)生析氣和升溫現(xiàn)象。常規(guī)充電時(shí)由于充電電流很小，所以基本上不會(huì)產(chǎn)生極化，也就不會(huì)產(chǎn)生析氣和溫升現(xiàn)象，它的缺點(diǎn)是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果嚴(yán)格按照固有特性曲線(xiàn)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。圖3-5充電可接受電流曲線(xiàn)圖3.2.2.2 鉛酸電池的放電特性圖3-6 是固定放電電流下電池端電壓與放電時(shí)間的示意圖。從圖可以看出，在大部分放電過(guò)程中，電池端電壓是穩(wěn)定下降的，說(shuō)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。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此

51、時(shí)電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐?，硫酸的濃度已?jīng)很低，電解液擴(kuò)散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動(dòng)勢(shì)急劇降低，造成電池端電壓的下降，至此應(yīng)停止放電，否則會(huì)造成電池的過(guò)度放電。過(guò)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。圖3-6 鉛酸電池端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系3.2.2.3 鉛酸電池的極化問(wèn)題鉛酸電池快速充電時(shí)很容易出現(xiàn)蓄電池的極化問(wèn)題。電池的充放電

52、特性是由自身的物理結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程決定的。開(kāi)路時(shí)正負(fù)極板與電解液處于暫時(shí)的相對(duì)平衡狀態(tài)，當(dāng)電池充電或放電時(shí)，平衡狀態(tài)遭到破壞，正、負(fù)極之間的工作電壓值偏離其電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生“極化現(xiàn)象”。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。(1) 歐姆極化在充電過(guò)程中，離子遷移不可避免地遇到一定的阻力，外加電壓就必須額外的施加一定的電壓以克服這種阻力，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為歐姆極化。(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(chēng)為濃度極化。(3) 電化學(xué)極化電極反應(yīng)由好幾個(gè)基本步驟構(gòu)成，其中

53、有一個(gè)步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進(jìn)行必須外加電源來(lái)增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。極化問(wèn)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)初始電流受到一定的限制，同時(shí)初始電流 的維持時(shí)間會(huì)變短并會(huì)出現(xiàn)一定速率的衰減。如果濃差極化和電化學(xué)極化不消除，當(dāng)充電達(dá)到一定程度時(shí)，蓄電池的端電壓就會(huì)迅速增長(zhǎng)，這樣即使堅(jiān)持充電也只會(huì)產(chǎn)生析氣和發(fā)熱，而實(shí)際充進(jìn)蓄電池的電量卻寥寥無(wú)幾。極化現(xiàn)象不消除，就無(wú)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(wèn)題。3.3 太陽(yáng)能-蓄電池充電技術(shù)研究對(duì)蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三

54、階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法3.3.1 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。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。這種充電方式的不足之處是，蓄電池開(kāi)始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過(guò)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。具體充電電流的大小、充電時(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說(shuō)明書(shū)中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過(guò)程中電壓、電流變化關(guān)系如圖4-1所示。 圖4-1恒流充電曲線(xiàn) 圖4-2恒壓充電曲線(xiàn)3.3.2 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。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。在充電末期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過(guò)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。此法的充電特性曲線(xiàn)如圖4.2所示，此法也有其不足之處： 在充電