车载太阳能供电系统毕业设计.doc

论文题目：车载太阳能供电系统摘 要太阳能作为一种清洁、高效和永不衰退的绿色新能源，既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。在新世纪中，各国政府都将合理利用太阳能资源作为国家可持续发展战略的重要内容。由此太阳能资源的应用的重要性可见一斑。而现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。然而，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。本文就是在求解决这个问题的指导思想下设计的。在文中讲述了太阳能光伏发电系统的结构和工作原理，并进一步介绍太阳能在笔记本电脑供电，手机充电电池充电，手持GPS供电电池充电，生活电器等方面的应用。关键词：车载，太阳能，光伏发电系统 Solar-powered Car SystemAbstractSolar energy as a clean, efficient and never decline since the new energy, green, the recent urgent energy and energy structure of the future. In the new century, governments will be reasonable use of solar energy resources as the national important content of strategy of sustainable development. Thus the importance of the application of solar energy resources. But in real life, living in the bustling city in the time of the pressure of increasing cases, more and more people choose drove nature, overnight, in order to reduce the high stress field. However, with the survival problems will have to consider. This is the solution to this problem under the guidance of the design. In the solar power system about the structure and working principle, and solar power in notebook computers, mobile phones, handheld GPS charging the battery power battery life, electric appliances, etc. Keywords：Car-mounted, Solar Energy, Photovoltaic Power System 目 录1 前言新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，在新世纪中，各国政府都将太阳能利用作为国家可持续发展战略的重要内容。并且，现今各种能源逐渐枯竭的情况下，人类必须找寻新的替代能源，并且这个新能源必须要是能取之不尽，用之不竭的，而太阳能则首当其冲。另一重要方面，现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。对于户外旅游的人们来说，一次远行露营意味着要带很多的用电设备如手机，GPS，手电筒，相机，生活电器等等以便解决生存问题。但是，用电呢？因此，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。在国外，太阳能资源的应用较早，但其在汽车上的应用却仍处于起步阶段。自1992年起欧、美、日等国各地之电力公司，由政府制定政策配合大力推动下，已向太阳能发电系统购买多余电力，以减少尖峰用电时供电不足之困境，至今成效卓著。日本政府在1994年已订定了完善的太阳能供电系统安装及补助计划。1998年，美国总统克林顿公布了百万太阳能屋计划，企图增加太阳光电能及太阳能热水器的使用。而欧联的能源委员会也提出一项计划在欧洲补助建造五十万栋的太阳能房屋，并在发展中国家另外建造五十万栋的太阳能房屋。太阳能供电系统在车上的应用，一直国外应用太阳能的一个重要方面，他们在这方面的应用要比我们国家早。而在国内，对于太阳能的应用主要还是在太阳能热水器的产品上，并且民众接受程度也高，但太阳能汽车等车载太阳能系统的应用方面，却还很年轻。1984年9月，我国首次研制“太阳号”太阳能汽车试验成功，并开进了北京中南海勤政殿，向中央领导汇报。太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司黄绳溥等六位中青年科技人员，仅用了56天时间研制成功。太阳能汽车车顶上安装了2808块单晶硅片，组成10硅板，装有三个车轮，自重 159kg， 操纵灵活，转向和变速方便，车速20kmh，遇阴雨或晚上，靠两个高效蓄电池供电，可连续行驶100km。不过，在汽车产业蓬勃发展的今天，汽车尾气排放给社会环境带来的压力的同时，也为太阳能资源在汽车上的应用创造了前所未有的发展契机。2 方案论证太阳能在汽车上的应用主要有两个方案。方案1：作为驱动力。这一方案，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。按照应用太阳能的程度又可分为如下两种形式：（1）太阳能作为第一驱动力，驱动汽车完全用太阳能为驱动力代替传统燃油。（2）太阳能和其它能量混合驱动汽车，这种汽车既有汽油发动机，又有电动机。方案2：作为汽车辅助设备的能源。传统汽车上可以用太阳能作为辅助动力，以减少常规燃料的消耗，而且现代汽车的电器化程度曰益提高，各辅助设备的耗电量也因此急剧增加。这方面的应用也有两种形式：（1）太阳能用作汽车蓄电池的辅助充电能源。在轿车上加装太阳电池后，可在车辆停止使用时，继续为电池充电，从而避免电池过度放电，节约能源。（2）用于驱动风扇和汽车空调等系统。由于本次设计主要考虑的问题是，如何让车载的太阳能在人们外出野宿这种没有电的情况下能够生存。这就要求方案能够提供基本的汽车驱动和基本的生存用电。对于方案1,太阳能作为驱动力，也只提供的驱动力，没有满足人们野外生存供电的需求。况且对于传统的小轿车，功率一般在几十千瓦左右，而太阳辐射功率至多1kW/，目前的光电转换效率小于30%。因此全部用太阳能驱动传统的轿车，需要几十平方米的接收面积，显然难以达到。因此方案1有很严重的缺点。而方案2太阳能只作为汽车辅助设备的能源，均能满足以上要求，并对太阳能板的大小要求降低很多，这样就克服了方案1的缺点。又能解决人们的夜宿无电情况下的生存问题。因此，此设计中选择方案2。 3 总体设计3.1 设计思路 该设计题目是车载太阳能供电系统，设计的目的就是太阳能资源应用以解决人们在户外无电情况下的生存问题。因此首先对组成太阳能发电系统太阳能电池组、蓄电池、太阳能控制器、逆变器四大模块进行研究并做具体的介绍。不过本次设计的系统与普通的有所不同，在系统中，应用两块蓄电池，一块是汽车内部的电瓶，然后再外加一块备用蓄电池，两块蓄电池并联。充电时先给汽车内部的电池充电，然后再给备用蓄电池充电。为用电器供电时恰好相反，先用备用蓄电池供电，不足时再用汽车内部电池供电。这样设计的目的一方面是蓄留足够的电能，另一方面避免因汽车内部蓄电池用电过度导致汽车启动不起来的问题出现。然后，将太阳能供电负载分为直流和交流两类，系统的介绍太阳能供电在现实生活中的实际应用，其中直流负载为手机和手持GPS充电电池、笔记本电脑、LED灯等；交流负载为生活电器如电烧水杯等。3.2 系统原理框图系统原理框图如图1所示。 太阳能电池板太阳能控制器汽车电瓶逆变器生活电器12VDC220VAC外加蓄电池手机/GPS电池充电图1 系统原理框图4 太阳能光伏发电系统4.1 太阳能光伏发电系统概述太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光伏发电两种基本方式。光伏发电是根据光生伏打效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，即当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出现正负电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样太阳的光能就直接变成可以被利用的电能。目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:独立系统、并网系统和混合系统。（1）独立系统此次设计的光伏发电系统就属于这种独立系统。它是有电池板、蓄电池、控制器、用电器等组成的系统。该系统的特点是：单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电线路。但要求应用场所周围没有遮挡物，确保每一单体必须是接收阳光良好。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。（2）并网系统并网系统的特点是：太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。（3）混合系统这是介于上述两个之间的系统，混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外，还使用了柴油发电机作为备用电源，其目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略，但是其造价和运行成本较上述两种方案要高。4.2 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素（1）太阳能发电系统在哪里使用，该地日光辐射情况如何； （3）系统的输出电压是多少，直流还是交流；（4）系统每天需要工作多少小时； （5）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天； （6）负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大； （7）系统需求的数量。4.3 太阳能光伏发电系统的组成及功能太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器和DC-AC 逆变器等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源部分，控制器、逆变器为控制保护部分。4.3.1 太阳能电池板 单一太阳能电池的发电量十分有限，实用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。它是太阳能发电系统的核心部件，直接将太阳光能转换成电能。电池板板面为钢化玻璃封装，可承受冰雹冲击和12级强风的力量，使用温度为4060，基本可满足一般需求。目前太阳能电池板使用寿命为2025年。 4.3.1.1 太阳能电池板的五个指标（1）峰值功率：太阳能输出的最大功率；（2）峰值电压：太阳能电池输出最大功率时对应的输出电压；（3）峰值电流：太阳能电池输出最大功率是对应的输出电流；（4）开路电压;（5）短路电流。4.3.1.2 太阳能电池板选择步骤 （1）计算负载24h消耗容量P： P=H/V （1）V负载额定电源 （2）选定每天日照时数T(H)。 （3）计算太阳能阵列工作电流。 IP=P(1+Q)/T （2）Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00 （4）确定蓄电池浮充电压VF。 镉镍和铅酸蓄电池的单体浮充电压分别为1.41.6V和2.2V。 （5）太阳能电池温度补偿电压VT。 VT=2.1/430(T-25)VF (3)（6）计算太阳能电池板工作电压VP。 VP=VF+VD+VT (4)其中VD=0.50.7 约等于VF （7）太阳电池板输出功率WP WP=IPUP (5)（8）根据VP、WP在硅电池板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。4.3.1.3 太阳能电池板输出功率电池板的输出功率与组件串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获得所需要的工作电流。适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池板。（1）太阳能电池组件串联数Ns。组件按一定数目串联起来就可获得所需要的工作电压，但是太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，电池组就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时才能达到最佳的充电状态。计算方法如下:Ns=Ur/ Uoc=(Uf+Ud+Uc )/Uoc。式中：Ur为太阳能电池板输出最小电压; Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压;Uf为蓄电池浮充电压;Ud为二极管压降一般取0.7V；Uc为其它因数引起的压降。电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。 （2）太阳能电池组件并联数Np。在确定Np之前，我们先确定其相关量的计算方法。1）将太阳能电池组安装地点的太阳能日辐射量Ht转换成在标准光强下的平均日辐射时数H：H=Ht2.778/10000（h）。式中:2.778/10000为将日辐射量换算为标准光强(1000W/)下的平均日辐射时数的系数。2)太阳能电池组件日发电量Qp Qp=IocHKopCz（Ah）式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流;Kop为斜面修正系数;Cz为修正系数主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失一般取0.8。3)两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw。此数据为本设计之独特之处主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来。需补充的蓄电池容量Bcb:Bcb=AQlNl（Ah）。太阳能电池组件并联数Np的计算方法为:Np=(Bcb+NwQl)/(QpNw)。 （3）太阳能电池组的功率计算。根据太阳能电池组件的串并联数即可得出所需太阳能电池组的功率P：P=PoNsNp（W）。式中：Po为太阳能电池板的额定功率。4.3.2 蓄电池 蓄电池是太阳能光伏发电系统的储能装置，是太阳能供电系统系统中的重要部件，一般占总成本的10%-20%，其性能直接影响着系统的可靠性和寿命。与太阳能电池板配套的蓄电池通常工作在浮充状态下其电压随电池组发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。（1）蓄电池的选用。能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多。目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池。因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能但由于其价格较高仅适用于较为特殊的场合。（2）蓄电池组容量的计算。蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内电池组发电量各月份有很大差别。电池组的发电量在不能满足用电需要的时候要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的时候是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以电池组发电量的不足和过剩值是确定蓄电池容量的依据之一。同样连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此蓄电池的容量BC:BC=AQLNLTO/CC（Ah）。公式中：A为安全系数取1.1-1.4之间；QL为负载日平均耗电量为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0以上取1-10以上取1.1-10，以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。 （3）蓄电池散热问题。现在车载蓄电池大都采用免维护铅酸蓄电池，它采用的是紧装配结构，散热性能较差，它又属于贫液电池，充电时电解液温度过高，会加快蒸发造成电池失水，也会使极板因过热膨胀损坏和外壳变形，更重要的是由于热量积累使电池热失控。车载蓄电池安装在汽车内部，环境温度超过25，温度每升高10，寿命将减少一半。12V免维护铅酸蓄电池，其设计寿命一般为五六年，但实际应用中，一般两三年就需要更换，有的甚至不到一年寿命就终结了。假设一蓄电池为12V /36Ah，按0.6元VAh，若寿命为两年，每次更换费用按200元算，则在寿命期内至少需更换6次蓄电池，仅蓄电池一项就要追加成本2755.2元。若蓄电池寿命能达到5年，则在寿命期内需更换3次，追加成本则为1377.6元，仅蓄电池一项就可节省1377.6元。所以，保持适宜的温度对蓄电池寿命是非常重要的。因此，外加的那块蓄电池最好安装在通风较佳并且远离汽车发动机的地方，如果车内有风扇的话，可以将这块蓄电池安装在吹风的范围内。4.3.2.2 汽车电瓶和外加蓄电池的充放电功能设计在本设计中，所应用的蓄电池分为两个部分，第一部分是汽车本身所带电瓶，第二部分是外加的蓄电池。由于这两部分蓄电池 的作用不尽相同，因此要区别性的充放电。下面就做具体的设计。第一部分即汽车本身所带的蓄电瓶，它的作用有（1）启动发动机时，给起动机提供强大的起动电流（一般高达200-600A）。（2）当发电机过载时，可以协助发电机向用电设备供电。（3）当发动机处于怠速时，向用电设备供电。（4）当发电机端电压高于铅蓄电池的电动势时，将一部分电能转变为化学能储存起来，也就是进行充电。三者是不一样的：1、汽车启动蓄电池是用于启动用的，对电池的要求是瞬间供电能力和低温启动性能，这类电池极板较薄较多。但不能用于深度充放电的场合；2、太阳能蓄电池主要是蓄电用，对电池的容量要求较高，一般对电池不作深度放电，但电池一般长期在浮充状态下工作。故对电池耐过充的性能要求高一点，一般在隔板和电解质中做改进；3、电动车电池属于动力电池，长期处于深度充放状态，不对电池作瞬间供电能力和低温启动的要求，故电池极板一般较厚且少。不适合启动汽车用。以上几种电池在工艺、配方等各方面都是不一样的，千万不要乱作一团。4.3.3 控制器4.3.3.1 控制器的作用太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器。控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。4.3.3.2控制器的功能为了能够有效地保证太阳能供电系统更安全、更稳定、更长久地运行，我所选用的控制器特点是具有数字电路控制的自适应式三阶段充电模式、过冲过放控制、析气调节、超压和过流保护等功能。（1）自适应式三阶段充电模式蓄电池性能的劣态化，除正常的寿命老化所至外，主要是两种原因 ：一是充电电压过高而造成的内部析气和失水；二是充电电压过低或充电不足而造成极板硫酸盐化。所以蓄电池的充电，必须进行超限保护，智能化的分三个阶段（恒流限压，恒压减流和涓流）来进行，并且根据新旧电池的不同自动设定三个阶段的充电时长，自动用相应的充电模式充电，避免蓄电池出现供电故障，达到安全，有效，满容量的充电效果。（2）过充、过放控制 过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。过充、过放控制电路如图2。过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于26V时，认为蓄电池处于过充状态，U1A“-”端电压高于“+”端电压时，U1A输出“-”，低电平，使Q1截止，同时Q2导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中,当处于正常放电状态时,放电电路正常工作。在晚上由蓄电池向负载供电时,当蓄电池的电压低于22V时,认为蓄电池处于过放状态，此时U1B“+”端电压低于其“-”端电压时,U1B输出“-”低电平,使Q3截止,同时Q4导通,继电器线圈J2通电,继电器开关由常闭点转到常开点,放电电路就断开,过放指示灯亮停止向负载供电。达到过放保护功能。（3）析气调节蓄电池如果长期未能出现析气反应时，电池内部会出现酸液分层，也将造成蓄电池容量衰减。所以，我们可以通过数字电路定期屏蔽掉充电保护功能，让蓄图2 过冲过放控制电路电池定期的出现充电电压超限析气现象，防止蓄电池出现酸液分层，减少蓄电池的容量衰减和记忆效应，延长蓄电池的寿命。（4）超压保护在充电电压输入端并联了一个47V压敏电阻，它在电压达到47V时将被击穿，造成输入端正负极短路（这不会损坏太阳电池板），防止因意外情况产生的高压损坏控制器和蓄电池。（5）过流保护在蓄电池的回路间串联了一个保险丝，有效对蓄电池进行过流保护。另外，对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：是为了稳定放电电流；是为了保证蓄电池不被过放电；是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。4.3.4 逆变器 4.3.4.1 太阳能光伏发电系统对逆变器的要求采用交流电输出的太阳能发电系统，由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是关键部件。光伏发电对逆变器要求较高：（）要求具有较高的效率。由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。（）要求具有较高的可靠性。如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护， 过热、过载保护等。（）要求直流输入电压有较宽的适应范围 由于电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4.4.4.2 逆变器工作原理在光伏供电系统中，如为直流负载，则不需逆变器转换，如本设计的负载车载电瓶、手机电池和手持GPS等均为直流负载。但若为交流负载，则须使用逆变器设备，将太阳能电池板产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。如本设计的负载之一电烧水杯就要用220VAC/50HZ供电。4.3.4.3 逆变电路逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V 、24，就必须设计升压电路。中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种：推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵。随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在300V以上）再通过工频逆变电路实现逆变。采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高。因此，本设计应当选用第三种电路：高频升压逆变电路。4.3.4.4逆变器输出波形选择逆变器输出波形主要有两类，一类是正弦波，另一类是方波。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。 4.3.4.5 逆变电路的控制电路上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弦波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有PWM功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。正弦波输出的逆变器控制集成电路，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL 公司生产的80C196MC 、摩托罗拉公司生产的MP16等，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、下桥臂之间的死区时间，采用INTEL公司80C196MC实现正弦波输出的电路，8019MC完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。4.3.4.6 逆变器主电路功率器件的选择在此之所以着重指出这个问题，是因为逆变器的主功率元件的选择至关重要。目前使用较多的功率元件有功率场效应管（ )和绝缘栅晶体管（)，在小容量低压系统中使用较多的器件为 ，因为具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用模块，这是因为随着电压的升高其通态电阻也随之增大。本设计属于小容量低压系统，因此主功率元件选用功率场效应管。正弦波逆变器原理图如图3图3 正弦波逆变电路4.4 太阳能发电系统的效率在太阳能发电系统中，系统的总效率es是由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。自太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面（如双面电池），减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。常见的几种太阳能电池的转换效率见表1。表1 几种太阳能电池的转换效率实验室典型电池商品薄膜电池各种太阳能电池max(%)各种太阳能电池(%)单晶硅24.4多晶硅16.6多晶硅18.6铜铟镓硒18.8GaAs(单结)25.7碲化镉16.0a-si(单结)13铜铟硒14.1另外，为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个合适的倾角。由于要考虑车载的太阳能板的安全性，因此通常是要固定在车顶上的，很难进行倾角的智能控制。不过，可以在车顶上安装太阳能电池组时同时安装一个可以四周旋转的支架，在车行驶的时候太阳能板固定平放在车顶上，而当车停止时，可手动调整太阳能电池组的角度，为太阳能电池组件选择一个较佳的倾角，以便太阳能板可以吸收尽可能多的辐射能量。5 负载应用部分车载太阳能供电系统负载应用分为三个部分，如系统总体框图右端所示，第一部分是直流应用部分就是，其目的为手机和手持GPS的蓄电池充电以及为笔记本电脑供电；第二部分是交流部分，可为电烧水杯等生活电器供电；第三部分就是将太阳能电池板直接与新型的汽车太阳能空调连接应用。由于第二部分的交流部分为笔记本供电十分简单，在此就不赘述，而对第一部分和第三部分作详细的介绍和分析。5.1 各负载参数计算本次设计的车载太阳能供电系统，其目的就是解决人们外宿无电区的生存问题。因此，该系统的负载主要有手机和手持GPS充电电池、笔记本电脑、车载空调、电烧水杯等生活电器。经查资料和平时积累信息得，普通手机和手持GPS充电电池电压为3.6V或3.7V的较多，额定容量不等，例如诺基亚系列手机的充电电池额定容量为750-1500mAh，摩托罗拉系列手机充电电池额定容量为510-920 mAh，而三星系列的则为650-850mAh。而作为负载的笔记本电脑，据了解，一般笔记本电脑的整机功耗都不会超过100W，比如海尔某款笔记本电脑功耗为48.84W；神舟承运F300T整机功耗为65W；HP Compaq6930P整机功耗为43W。我们不妨以功耗为100W来计算。假设保证电脑能够持续工作3个小时。那么需要电能300W。另一重要负载就是电烧水杯。经过查寻有关资料，较小功率的电烧水杯为300W，1.5升容量。这样的容量在野外情况基本能够满足需求，最重要的是小一点的功率省电，对太阳能板要求有所降低，这样就节省了成本。根据太阳能电池板重要的五个指标：峰值功率、峰值电压、峰值电流、开路电压、短路电流以及太阳能电池板的长度、宽度、厚度、重量指标我们选择太阳能电池板如表2所示。表2 太阳能电池板指标规格峰值功率峰值电压峰值电流短路电流开路电压长度宽度厚度重量KC200GH-2P200W26.3V7.61A8.21A32.9V1425mm990mm36mm16.99kg5.2 手机和手持GPS电池充电如系统总体框图右端直流部分所示，直流输出电压为12/24/48V，但是通常的手机电池和手持GPS电池为3.5V左右，因此需要另外配置充电器。下面介绍一种电池充电器。5.2.1 充电器原理图手机和手持GPS电池充电器原理图如图4所示。图4 电池充电电路5.2.2 电路工作原理太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流也小，这就需要用一个直流变换电路变换电压后供手机电池充电，电路见图4。它是单管直流变换电路，采用单端反激式变换器电路的形式。当开关管VT1导通时，高频变压器T1初级线圈NP的感应电压为1正2负，次级线圈Ns为5正6负，整流二极管VD1处于截止状态，这时高频变压器T1通过初级线圈Np储存能量;当开关管VT1截止时，次级线圈Ns为5负6正，高频变压器T1中存储的能量通过VD1整流和电容C3滤波后向负载输出。三极管VT1为开关电源管，它和T1、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。加上输入电源后，电流经启动电阻R1流向VT1的基极，使VT1导通。VT1导通后，变压器初级线圈Np就加上输入直流电压，其集电极电流Ic在Np中线性增长，反馈线圈Nb产生3正4负的感应电压，使VT1得到基极为正，发射极为负的正反馈电压，此电压经C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大，正反馈产生雪崩过程，使VT1饱和导通。在VT1饱和导通期间，T1通过初级线圈Np储存磁能。与此同时，感应电压给C2充电，随着C2充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1退出饱和区进入放大区。VT1进入放大状态后，其集电极电流由放大状态前的最大值下降，在反馈线圈Nb产生3负4正的感应电压，使VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反馈再一次出现雪崩过程，VT1迅速截止。VT1截止后，变压器T1储存的能量提供给负载，次级线圈Ns产生的5负6正的电压经二极管VD1整流滤波后，在C3上得到直流电压给手机电池充电。在VT1截止时，直流供电输人电压和Nb感应的3负4正的电压又经R1、R3给C2反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。R5、R6、VD2、VT2等组成限压电路，以保护电池不被过充电，这里以3.6V手机电池为例，其充电限制电压为4.2V。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2V时，经R5、R6分压后稳压二极管VD2开始导通，使VT2导通，VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2V。元器件选择和安装调试：VT1要求Icm0.5A，hEF为50-100，可用2SC2500、2SC1008等，VD1为稳压值为3V的稳压二极管。高频变压器T1要自制，用E16的铁氧体磁芯，Np用0.21漆包线绕26匝，Nb用0.21漆包线绕8匝，Ns用0.41漆包线绕15匝。绕制时要注意各线圈的起始端不要搞错，以免电路不起振或输出电压不正常。组装时在两块磁芯间垫一层厚度约为0.03mm的塑料薄膜作磁芯气隙。6 结论 在论文中，首先介绍太阳能在国内外的应用和发展现状以及太阳能在汽车上的应用的国内外发展情况和前景。接着，具体研究车载太阳能供电系统。太阳能在汽车上的应用主要有两种方案，一种是用于汽车驱动力，另一种是作为汽车辅助设备的能源。但由于第一种方案在现阶段存在明显的局限性，因此我选择第二种方案。然后，我就具体介绍太阳能光伏发电系统的原理、组成及各组成部分的功能和应用，特别是各组成部分的选型和相互间的合理组合。通过对现存技术资料的学习和分析，我把系统的各组