高效太陽能充電系統(tǒng)的研究

1、浙江省大學生物理創(chuàng)新競賽“科技創(chuàng)新競賽”參賽作品（論文）高效太陽能充電系統(tǒng)的研究浙江工商大學通信0802 李 瑩網絡0801 湯 淇通信0802 裴優(yōu)敏高效太陽能充電系統(tǒng)的研究李 瑩 湯 淇 裴優(yōu)敏（浙江工商大學）摘要：介紹一種利用升壓和降壓模塊的電路，對光伏板的輸出電壓進行自動調整，能夠高效地給蓄電池進行充電。論述系統(tǒng)在強光和弱光下均能穩(wěn)定地對蓄電池進行充電的電路調節(jié)原理，較好地解決了傳統(tǒng)上利用電阻調壓的高損耗問題。運用電感、電容等儲能元件，真正做到了在調壓過程中的低消耗，達到了高效充電的目的。通過對相關實驗數(shù)據(jù)的分析，證明了該高效太陽能充電系統(tǒng)的特點及應用優(yōu)勢。關鍵字：太陽能 高效 升壓

2、降壓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

3、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

4、, we prove the features and application advantages of this efficient solar battery system.Key Words: solar energy efficient booster step-down1.物理背景人類尋找新能源的工作已經有相當久的歷史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺迫使人們要更加努力的尋找和開發(fā)新能源。在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。眾所周知，照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費。而且太陽能發(fā)電絕

5、對干凈，不產生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。太陽能是一種輻射能，太陽能發(fā)電意味著要將太陽光直接轉換成電能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。太陽能電池（即光伏板）是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光伏發(fā)電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成PN結。 當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在PN結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一

6、定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。2.工作原理高效太陽能充電系統(tǒng)的工作框如圖1所示，主要由光伏板、控制繼電器、光伏檢測電路、升壓和降壓電路及蓄電池等組成。圖1 系統(tǒng)工作框圖當光照比較弱時，光伏板輸出電壓在2V-6.5V左右時，升壓電路工作，輸出穩(wěn)定的6.5V電壓，對蓄電池進行充電。當光照比較強時，光伏板的輸出電壓大于6.5V時，降壓電路工作，輸出穩(wěn)定的6.5V電壓，對蓄電池進行充電。因此，不管在強光還是弱光下，電路都能對蓄電池進行充電，在很大程度上提高了太陽能的利用率。3.系統(tǒng)工作分析1) 光伏板輸出電壓檢測及功能切換電路圖2 光伏板輸出電壓檢測電路圖圖2所示電路用來調

7、節(jié)繼電器的內控制開關的吸合與斷開。J1為繼電器，1、2腳為繼電器內線圈， 4腳是常開引腳，接降壓電路，5腳是常閉引腳，接升壓電路。插座JP1接光伏板，光伏板輸出電壓Vin，經過R1、R2、R3分壓，為TL431的輸入電壓（即R3兩端的電壓），當VR3大于TL431內部基準電壓2.5V，即V時，TL431飽和導通，繼電器線圈通電，繼電器內常閉觸點斷開，常開觸點閉合，接降壓電路。發(fā)光二極管D10起指示作用。2) 升壓電路圖3 升壓電路當繼電器線圈兩端電壓不滿足吸合條件時，繼電器內常閉觸點閉合，常開觸點斷開，接升壓電路，如圖3示，當有電壓輸入時， Q1導通，提供Q2一個正向偏置電壓，繼而Q2導通，電

8、流流過電感L1，L1開始儲能，當L1達到磁飽和時，流過它的電流發(fā)生跳變，Q2的集電極電壓上升，由于C7的耦合作用，Q1基極電壓也隨著跳變，Q1由導通變?yōu)榻刂梗琎2也隨之截止。由于L1的電流方向不能突變（自左向右），電流經過D1、D4給電池充電（L1釋放能量），（左負右正）-，當時，Q3導通，給Q1基極提供正向偏置，繼續(xù)維持Q1的截止狀態(tài)。隨著流過L1的電流減小，V1也隨著減小，Q1的基極電壓減小，進而Q1又導通，流過L1的電流增大，L1重新進入儲能狀態(tài)；重復上述過程，IL將在一定范圍內波動。輸出電壓。二級管D4起防倒灌作用。3) 降壓電路蓄電池充電電路分析，如圖4所示，當開關閉合時，有電流流過

9、L2，且逐漸增大，L2進行儲能，此過程對C4和蓄電池進行充電，當V1的電壓增加到一定值時，斷開開關，由于L2的電流方向不能突變（自左向右），D6對此電流進行續(xù)流，L2的電流逐漸減小，此時C4對外放電，經過D9對蓄電池充電。圖4 蓄電池充電電路分析圖當V1減小到一定值時，再閉合開關，流過L2的電流繼而增大，重復上述過程。可見，圖4電路的充電電壓V1將在一定范圍內上下波動。圖4中開關可用脈沖波代替，脈沖波的高電平相當于開關閉合，脈沖波的低電平相當于開關斷開。此脈沖波可由圖5示電路提供。圖5 脈沖波發(fā)生電路如圖5示，V5為一鋸齒波電壓，電路導通時，電壓比較器正極電壓為V5，負極為0V，所以電壓比較器

10、7腳輸出高電壓（Vin），三極管Q4、Q5導通，此時V1=Vin1.4V，Q4、Q5未達到深度飽和。D5、R12和C3組成自舉電路，將Q4基極電壓升至2Vin1.4V ，Q4、Q5達到深度飽和，Q5集電極與發(fā)射極壓差降至0.3V。隨著電感L2電流的逐漸增大，電壓V2也隨之增大，電壓比較器負極電壓增大。當比較器負極電壓大于正極電壓V5時，比較器7腳輸出低電壓（如圖6所示），三極管Q4、Q5隨之截止。由于電感電流不能發(fā)生突變，二極管D6對電路續(xù)流，電容C4開始放電，繼續(xù)對蓄電池充電。而隨著電感L2的電流減小，電壓V2也隨之減小，電壓比較器負極電壓減小，比較器正極電壓VC為鋸齒波電壓，會上下波動，當

11、比較器負極電壓又小于正極電壓VC時，比較器7腳輸出高電壓（如圖6所示），三極管Q4、Q5導通，重復上述過程，電壓V2會穩(wěn)定在一個較小的范圍內，即實現(xiàn)了圖4所示的功能。圖6 電壓比較器電壓波形圖5中輸入的鋸齒波電壓V5可由圖7所示電路提供。圖7 鋸齒波發(fā)生電路如圖7所示，R5、R6和D8起穩(wěn)壓作用，給比較器的3腳提供一個穩(wěn)定的電壓。當有電壓輸入時，電流流過R9和R10 對電容C5充電，逐漸增大，此時，比較器1腳輸出高電平（），進而對C5充電。當增加到一定值，使得（即）時，比較器1腳輸出低電平（0V），C5開始放電，逐漸減小，當（即）時，比較器1腳輸出高電平（），此時，又重新對C5充電，重復上述過

12、程，將在一定范圍內波動（如圖8所示）。圖8 輸出鋸齒波波形綜上所述，即可得系統(tǒng)降壓電路如圖9所示，當繼電器線圈兩端電壓滿足吸合條件時，其內控制開關處于吸合狀態(tài)，接降壓電路（即圖9）。圖9 降壓電路圖4.技術分析在一般的太陽能充電系統(tǒng)中，光伏板只能工作在一定的光強下，當太陽光大于此光強時，光伏板能夠輸出一個大于蓄電池充電電壓的電壓，經過控制電路的作用，能夠對蓄電池進行充電。但當太陽光小于此光強時，光伏板輸出電壓小于蓄電池充電電壓，此時控制電路的作用并不能滿足蓄電池的充電要求。而在利用光伏板對蓄電池充電的過程中，由于太陽光照強度的限制，光伏板的輸出電壓并不能時刻滿足蓄電池的充電要求，蓄電池會時常處

13、于充電中斷狀態(tài)，這既不利于蓄電池的利用，又是對于太陽光能的極大浪費，而且一般的太陽能充電器功耗較大?；谖覀冄芯康母咝С潆娤到y(tǒng)，我們對其進行相關數(shù)據(jù)的測量，具體如下：利用直流穩(wěn)壓電源模擬光伏板對蓄電池充電時，相關數(shù)據(jù)如表1示。表1 直流穩(wěn)壓電源模擬光伏板對蓄電池充電時相關數(shù)據(jù)記錄表*電路輸入電壓 / V繼電器工作狀態(tài)二極管工作狀態(tài)電流表示數(shù) / mA 電路板輸出電壓 / V蓄電池充電電壓/ V電路板空載輸出電壓 / V2.17常閉不亮06.5186.5186.6743.64常閉不亮2.56.5226.5206.7145.513常閉不亮76.5306.5236.8206.308常閉不亮76.53

14、56.5296.8657.670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，在電路輸入壓較小的時候，對應于光照強度較弱時光伏板的輸出，電路工作在升壓裝置。第一組數(shù)據(jù)由于電流較小，電流表的量程較大，幾乎沒有示數(shù)。隨著輸入電壓的增大，相當于光照強度加強，電路輸出的電壓穩(wěn)定在6.5V左右。當輸入電壓加大到一定值時，繼電器吸合，電路工作在降壓充電裝置，輸出電壓穩(wěn)定在6.5V左右。繼電器剛剛吸合時，由于電流較小，電流表的量程較大，幾乎沒有示數(shù)。 可見，我們研究的高效太陽能充電系統(tǒng)能夠在強弱光下都能

15、給蓄電池提供一個穩(wěn)定的電壓，對其進行充電，而且充電過程中功耗較小，這就克服了一般太陽能充電器在弱光下不能對蓄電池進行充電的弊端，大大提高了太陽能的利用率。5. 應用前景太陽能的使用主要分為幾個方面：家庭用小型太陽能電站、大型并網電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路燈、風光互補路燈、風光互補供電系統(tǒng)等，應該說太陽能* 電流表的量程為0100mA，蓄電池的電壓為6.5V的使用已經進入了我們生活的每一部分。我國光伏產業(yè)正以每年30%的速度增長。最近三年全球太陽能電池總產量平均年增長率高達49.8%以上。按照日本新能源計劃、歐盟可再生能源白皮書、美國光伏計劃等推算，2010年全球光伏發(fā)電并網裝機容量

16、將達到15GW（1500萬千瓦，屆時仍不到全球發(fā)電總裝機容量的1%），至2030年全球光伏發(fā)電裝機容量將達到300GW（屆時整個產業(yè)的產值有可能突破3000億美元），至2040年光伏發(fā)電將達到全球發(fā)電總量的15%-20%。按此計劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復合增長率將高達25%以上。其中并網應用會有較大的發(fā)展，從而形成并網發(fā)電（約46%）、離網供電（約27%）和通訊機站（約21%）3個主要應用領域，光伏產業(yè)擁有很好的發(fā)展前景。世界上太陽能光伏的廣泛應用，導致了目前缺乏的是原材料的供應和價格的上漲，這樣的形勢就更加需要我們改進技術，提高太陽能的使用效率。該系統(tǒng)通過電路的設計對電壓的調

17、整，不管在強光還是弱光下，都能利用光伏板對蓄電池進行充電，在很大程度上提高了太陽能的利用率。此外，該系統(tǒng)還能利用到并網發(fā)電中，大大提高太陽能發(fā)電的效率。目前提出了低碳型社會，提倡清潔無污染的能源，對太陽能的利用勢必會更加看重與增大投入。社會上已經出現(xiàn)了以電力驅動的交通工具，但由于蓄電池儲存電能有限，當交通工具長時間處于運行狀態(tài)時，中途對蓄電池充電成為很不方便的因素，我們的太陽能充電系統(tǒng)不僅能適時的對蓄電池進行充電，而且由于他在較弱光強下也能對太陽能加以利用，減少了充電時間，擴大了其工作范圍，同時可以在交通工具工作時對蓄電池充電，大大提高了交通工具的工作效率。此系統(tǒng)對家庭小型太陽能發(fā)電裝置等也很有現(xiàn)實利用價值。綜上所述，該系統(tǒng)的應用前景是相當可觀的。6結束語高效太陽能