太阳能充电器毕业设计论文.doc

*学院毕业设计（论文）论文题目：太阳能蓄电池系 别：电子电气工程学院 专 业： 电子信息工程技术 班 级：p12电子信息工程技术 学 号： 指导教师： 目录摘要1第一章 课题研究背景11.1当前面临的能源和环境问题11.2发展太阳能的意义21.3光伏发电的特点2第二章 课题方案设计32.1 本设计的总体思路32.2太阳能充电器4第三章 太阳能电池的研究和分析43.1 太阳能电池的原理43.2 太阳能电池的分类53.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素6 3.3.1光伏电池的主要参数6 3.3.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响7 3.3.3温度对光伏电池输出特性的影响83.4本系统所采用的光伏电池9致 谢10参考文献11太阳能蓄电池摘要污染和能源趋势紧张的背景下，太阳能作为一种新型绿色可再生能源，具有储能量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视。本文设计了一种切实可行的太阳能充电控制，通过对蓄电池充电，满足小功率用电器的供电需求。 本文重点研究了用34063实现太阳能充电控制技术.34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。 关键词：34063、线性集成电路、振荡器、驱动器第一章 课题研究背景1.1当前面临的能源和环境问题能源犹如人体的血液。能量以电的形式出现，是现代社会文明的主要标志和基础。人们总是尽可能把一次能源转换为电能使用，电力在终端能源中的比例在不断提高。但是随着电能比例的提高也带来了很多的问题。一方面，用于发电的传统一次能源如煤、石油等的储藏量有限。随着经济的发展、人口的增加，目前人类所利用的石油、天然气和煤炭等化石能源正在逐步消耗，能源危机已经发展在人类面前。根据目前探明的储量和消费计算，石油可用40多年，天然气可用60多年，煤课用200年左右。中国的能源资源储量情况更是危机逼人，中国各种一次能源资源人均低于世界水平，中国的能源需求面临着更严重的挑战。而且随着科技的进一步发展、人口持续增长等，整个世界面临着能源需求量成倍增长的挑战另一方面，成倍的能源供应的背后蕴藏这巨大的危害，并其影响越来越大，就是由此带来的环境问题。当前，化石燃料的燃烧已经给人们的生活环境带来了严重的挑战：大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，由此带来的直接灾难就是酸雨，在严重被污染的大气中人类和其他生物的健康遭受着痛苦的折磨；大量碳化物的燃烧使得大家中的二氧化碳浓度持续增加，温室效应趋势明明显，并且这种势头正在延续，由此带来的直接灾难是大气变暖、水平面上升等。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。如果不积极采取措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。因此，无论是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不竭而又没有公害的新能源已是势在必行。由此在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球的重要问题。因此节约能源、开发清洁干净的新能源和再生能源是势在必行的。1.2发展太阳能的意义是当前，全球化石能源资源日益短缺、气候变化等环境压力日渐增大。太阳能、风能、生物质能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要的战略替代能源。党中央、国务院高度重视太阳能、风能等新能源与可再生能源的发展，明确指出：太阳能、风能等新能源产业正孕育着新的经济增长点，也是新一轮国际竞争的战略制高点，当前国际金融危机为新能源产业发展带来了机遇，要把发展太阳能、风能等新能源作为应对危机的重要举措。 太阳能作为一种清洁、安全、可再生的绿色能源，在本市新能源利用中应用比例最高、资源潜力最大、发展前景最为广阔，技术和产业带动作用强，是实现本市新能源和可再生能源“高端研发、高端示范、高端制造”的重要抓手。充分利用首都区位及科技研发等优势，加快本市太阳能利用并促进其产业发展，有利于从战略上抢占新一轮世界范围新能源产业竞争的先机；有利于应对国际金融危机，扩大投资和消费需求；有利于优化能源结构、促进节能减排，构建低碳发展模式。 “太阳能” 成为发展低碳经济的首选低碳经济是以低能耗、 低污染、 低排放为基础的经济模式， 是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。发展低碳经济， 是各级政府的政治远见和政策水平的具体体现， 也是迫在眉睫的任务，更是中国企业界的光荣使命和重大发展机遇。太阳能以其储量的 “无限性” 、 存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，成为发展低碳经济的首选： (1)储量的 “无限性” 。太阳能是取 之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳能每秒钟放射的能量大约是1.61023kW， 是目前世界主要能源探明储量的一万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年， 相对于常规能源的有限性， 太阳能具有储量的 “无限性” ， 取之不尽， 用之不竭。 开发利用太阳能是人类解决常规能源匮乏、 枯竭的最有效途径。 (2)存在的普遍性。虽然由于纬度的不同、 气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀， 但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性， 可就地取用。 这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 (3)利用的清洁性。太阳能像风能、 潮汐能等洁净能源一样， 其开发利用时几乎不产生任何污染。 (4)利用的经济性。 在接收太阳能时不征收任何 “税” ， 可以随地取用； 太阳能热能设备一次投入较高， 但其使用过程不耗能。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破， 太阳能利用的经济性将会更明显。阳能以其独具的优势，是人类理想的替代能源， 其开发利用是最终解决常规能源，特别是化石能源带来的能源短缺、 环境污染和温室效应等问题的有效途径，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展， 并在世界能源结构转移中担纲重任， 成为21世纪后期的主导能源。1.3光伏发电的特点 太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式电能，从而具有热利用不可比拟的优势。太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，是当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势： 是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单； 利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行； 可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源； 接近负载中心，减少电网的线损； 发电的效率不随发电规模的大小而变； 就地可取，无需运输。光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。 由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。第二章 课题方案设计2.1 本设计的总体思路本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。充电过程中采用LED灯指示，系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构可对手机充电。文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。2.2太阳能充电器 太阳能充电器与市面上的一般市电充电器相比有好多不相同的地方。一般的市电充电器都是在引出来电网电压之后先进行降压处理，再通过整流装置给各种蓄电池充电，这种充电器的优点就是当市电稳定时它可以提供稳定的充电平台。太阳能充电器由太阳能电池组件或者一些其他的光伏装置供电，输入电压一般都比较低，所以给蓄电池充电时可以直接连接蓄电池或者增加一级升压装置。另外，太阳能充电器可以很方便的携带，这样它在一些比较恶劣的环境下也能够提供充电作用。因此，太阳能充电器有着很大的发展前景。在简单的了解了太阳能充电器与一般市电充电器的差别，但是无论在细节上有多大的差别，其总体设计思路是一样的：都是电源供电、充电控制、蓄电池和负载这几部分构成，图1-1就表示了太阳能充电控制器的整体结构。图1-1单片机控制太阳能充电器的结构第三章 太阳能电池的研究和分析3.1 太阳能电池的原理 太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。 太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。3.2 太阳能电池的分类 目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为：硅太阳能电池； 以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的多元化合物薄膜太阳能电池； 功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池； 纳米晶太阳能电池等。这里采用的是硅太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术.开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。3.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素 光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。3.3.1光伏电池的主要参数 光伏电池的几个重要技术： 短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 开路电压VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 最大功率点电压(VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率 填充因子 (2-4) 光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率， 以上各个参数可以在图2-3中表示如下。图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线 图2-3中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点IM，VM，从而求出最大输出功率：PM=IMVM。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式2-3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-4可表示太阳能电池的P-V曲线。 从图2-3可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，FF定义为式2-4。它表示最大输出功率的值所占的以VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。3.3.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 图2-4、图2-5分别是太阳能电池阵列在温度为25时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-6可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2-3)中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-5中虚线与各实线的交点所示。图2-4不同日照下的I-V关系曲线图 图2-5不同日照下的P-V曲线图图2-6太阳能电池的P-V特性曲线3.3.3温度对光伏电池输出特性的影响图2-7，图2-8分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-8中各实线的波峰的幅值变化。图2-7不同温度下的I-V特性曲线 图2-8不同温度下的P-V特性曲线 综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点： 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源； 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化； 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，Maximum