电动自行车的太阳能充电装置研究

分类号河南农业大学硕士学位论文英文题ELRESEARCHONSOLARCHARGINGDEVICE一OFELECTRICBICYCLES，学位申请人L王瞳磊导师塞J垩专业盛些工程研究方向一一自动化技丕论文提交日期密级学位授予日期河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书学位论学位电动自行车的太阳能充电装置研究硕士论文文题目级别学生学科导师王晓磊农业工程刘军姓名专业姓名学位论文如需保密，解密时间年月日是否保密独创性声明本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。特此声明。研究生签名抛磊翩签名剀孔日期枷年月哆日日期“TOLL年F肖哆日学位论文使用授权及知识产权归属承诺本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农业大学所有，否则，承担相应的法律责任。注保密学位论文在解密后适用于本授权书。研究生繇蕊磊新虢钏孔学院领导龋日期渺年月R日期沙年石月哆日同期年月日河南农业大学硕士论文致谢转眼间即将毕业，回顾两年的点滴，发现有那么多的人值得我去尊敬、去感谢。本文是在刘军教授的悉心指导下完成的。两年来，无论在学业上还是生活上，刘老师都给予了我极大的关怀和帮助。刘老师为我提供了很好的学习与试验条件，给了我充分施展才华与发挥能力的空间。刘老师严谨的治学态度，求实的工作作风，积极进取的创新精神，为我树立了榜样。刘老师乐观向上的生活态度，热心助人的精神潜移默化地影响着我，使我受益无穷。在此，谨向刘老师表示衷心的感谢。感谢姚传安老师的大力指导和帮助。姚老师为我提供了大量的学习资料，并在软、硬件学习开发方面给予我悉心的指导。姚老师广博的知识，丰富的实践经验，精益求精的工作态度，都给我留下了莫大的启示和深远影响，是我学习的榜样。两年的工作学习中，我也有幸得到了胡建东教授的悉心指导；感谢余泳昌教授、李冠峰教授，对我在学习、论文写作过程中所给予的建议、指导和帮助。在此还要感谢本导师组的李燕副教授、邹彩虹副教授等各位老师给予的指导和帮助感谢师弟师妹们对论文仔细的阅读与修改，感谢审阅本论文和参加答辩的所有专家、领导。感谢所有教育过我的老师、帮助过我的同学、感谢充满朝气与学术气氛且陪伴我度过美好青春的母校。感谢养育了我的父母，他们并用辛勤的双手和坚实的肩膀给了我生活上最强有力的支持。衷心感谢所有给予我支持和帮助的人河南农业大学硕士论文目录1文献综述511研究背景512当前研究现状6121国外研究现状“6122国内研究现状713目前存在的问题及发展趋势8131电池污染问题”8132蓄电池寿命问题一8133蓄电池笨重充电难9134尚处于研究阶段，技术不成熟LO14本文研究的内容”102光伏发电系统设计”LL21光伏发电系统的组成和原理11211光伏发电系统的组成L1212太刚能发电的原理LL22实验器材的选取12221太研1能电池板的选择一12222太同1能控制器的选择16223蓄电池的选择182231电动自行车对蓄电池的基本要求182232蓄电池种类及其特性”L923太阳能充电系统电路设计20231系统主电路设计一20232系统控制电路设计2L2321太阳能电池工作特性2L2322系统主电路一223实验部分24河南农业大学硕士论文31实验器材2432实验方法一2433实验结果与分析24331实验数据24332数据分析25333太阳能电池板的安装264太阳能电池峰值功率跟踪2841跟踪原理2842跟踪算法一29421电压同授法29422功率同授法29423直线近似法”30424实际测量法一30425扰动观察法305结沦3L参考文献32ABSTRACT363河南农业大学硕上论文摘要我国已经逐步成为电动自行下保有量最多的国家，我国的国情决定了我们的交通工具不可能像欧美发达国家那样全面使川小轿车，电动自行车将有可能成为中国人的主要个人交通工具。电动自行车是近十几年发展起来的，它发展的基础是电动车技术的进步和现代高新技术的成果，据全国各大城市的市民需求调杏，高达76的市民有将电动自行车作为代步交通工具的需求。电动自行车成为很多人出行的选择，但由于电动车的电池很重，拿到室内充电很费劲，而且，电动自行车时常走在半路上会没电，太阡能电动自行车充电装置的研究与开发成为近年热门的话题。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟甲要到来。太阳能作为一种能源，与煤炭、石油、天然气、核能等矿物燃料相比，具有普遍、无害、巨大、持久等优点，因此发展太阳能电动自行车是很有前景的，在提倡环保、低碳的新时期，这也是电动自行车行业发展的必然趋势。本文以电动自行车的太同I能充电装置为研究对象，在光伏发电技术与独立光伏发电系统设计的基础上，开发出适用于电动自行车的太阳能充电系统装置，并采用最大功率追踪法分析系统的效率及性能。详细了解了小型独立光伏发电系统的概念及组成，以及国内外研究的发展概况，当前主要研究的问题与关键技术以及发展趋势与应用前景。主要通过电动自行车每天平均消耗的电量确定所需太阳能电池板的功率，进而确定电池板的面积大小，在考虑到电动自行车外观及行车安全等诸多因素后，最终确定了采用顶棚式安装的方法米同定太阳能电池板；并根据系统不同组件受光照、温度等外部环境影响不同，对系统整体性能参数做了深入分析。本文所设计的太阳能充电装置可以实现电动自行车的太阳能充电。既解决了普通电动自行车充电难的问题，又利用了太阳能这一新型能源，低碳环保。关键词电动自行车，光伏发电系统，充电装置，低碳环保河南农业大学硕士论文1文献综述11研究背景我国是世界上电动自行车保有量最多的国家，现阶段的国情决定了我们的交通工具不会像欧美发达国家那样全面使用小轿车，电动自行车将有可能成为中国人最主要的个人交通工具。电动自行车是近十几年迅速发展起来的，它发展的基础是电动车技术和现代高新技术的成果，它被称为高新技术的结合体。据我国各大城市的居民需求调查，高达76的居民有将电动自行车作为日常代步交通工具的意愿。多数人认为，汽车太贵买不起，自行车太累不想骑，公交车人太多不想挤，摩托车太危险路段义禁骑，而电动自行车是最佳的选择。专家们认为，电动自行车车身轻便，行驶速度适中，安全价廉，无噪音尾气污染，占用车位小，可大大提高非机动车道的通行效率，极其适合市内单人短程出行，具有其他交通亡具所无法比拟的优势。随着我国城乡路况日渐完善，效率更好、经济实用的电动自行下部分取代传统自行车将是一个不可逆转的市场趋势。随着世界人口的持续增长和经济的不断发展，对于能源供应的需求量日益增加，而在目前的能源消费结构中，主要还是依赖煤炭、石油和天然气等化冶燃料。然而地球上化石燃料的蕴藏量是有限的。IEA国际能源署在世界能源展望2010WORLDENERGYOUTLOOK2010中给出的“新政策前景NEWPOLICIESSCENARIO”预测全球能源需求将持续增长，但增长步伐将比近几十年放缓，化石燃料的份额将从2008年的81降至2035年的74。12】我国的经济正处于高速发展的阶段，能源消耗量也在迅速地增加，虽然目前我国的能源资源总量比较丰富，居世界第二位，可是由于人口基数大，人均能源资源拥有量处于世界较低水平，能源供应形势也不容乐观。要想应对燃料逐渐短缺造成的严重局面，我们必须逐步改变能源消费结构，大力开发可再生能源，特别是太阳能这种新型能源，在能源供应领域实现可持续发展，才能保证经济的稳定发展和人类社会的不断进步。从长远的利益来看，在各种太阳能利用技术中，太阳能光伏发电技术具有最理想的可持续性特征最富足的资源能源资源和材料资源，如硅和最清洁的发电过程。能源问题是世界性的问题，向新能源过渡的时期势必要到来。从长远来看，太阳能的利用技术和太阳能装置的大量应用，也能在一定程度上制约矿物能源价格的上涨。太阳能作为一种可再生新能源，与石油、煤炭、天然气、核能等矿物燃料相比，具有以下明显的优点1阳光普照大地，无论陆地或海洋，高山或岛屿，处处皆有，可以直接开发利用，且无需开采和运输。2开发利用太阳能不会污染环境，太研J能是最洁净的能源之一，在环境污染越来越严重河南农业大学硕士论文的今天，这一点是弥足珍贵的。3每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属当今世界上可以开发的最大能源。4根据目前太阳发生的核能速率估算，对于地球的寿命而言，太目的能量是用之不竭的。因此发展太阳能电动自行车是很有前景的，在提倡环保、低碳的新时期，这也是电动自行车行业发展的必然趋势。目前太刚能在电动自行车的充电应用方面有以下几种方案1固定太刚能充电器式太阳能电动自行车。固定太阳能充电器式太豫】能电动自行车的特点电动自行车的充电能量是由固定式太阳能电站提供的，比较理想的方式是将自行车车棚的材料改用太阳能电池板制作。比如在长江中下游地区，普通的电动自行车行驶一公里大约需要10WH的太阳能电池提供能量支持，对于12AH36V的电动自行车蓄电池来说，它可以供电动自行车行驶23小时，大约4050公里。如果在长江中下游地区，在晴天的情况下花费一天的时间将蓄电池充满电，大约需要255W的太阳能电池，而且，在不同光照条件的地区，所需太阳能电池功率是有差异的。2便携太阳能充电器式太阳能电动自行车。其特点是电动自行车附带太阳能充电器，太阳能充电器可以折叠存放于电动自行车的行李架上，充电时可以取卜来，将太阳能电池板展开。因为太阳能电池板的方向和角度都可以随时任意调整，所以其充电效率相对而言比较高。3太阳能辅助充电器式太阳能电动自行车。太阳能辅助充电器式太刚能电动自行车的太阳能电池组件，一般用比较低的电压，这是因为小功率的太阳能电池组件，如果要直接给36V以上的蓄电池充电是需要100多片电池串联的，这在工艺上是不太合适的，比较合理的方法是用较低的电压组件，然后用DCIC升压的电路将电压升高后向蓄电池充电。目前电动自行车的充电主要包括室内充电、快速充电站两种方式，利用太阳能充电的方式还不多见，本文所设计的太阳能电动自行车的工作原理，就是使用太阳能电池板，将光能较快地转化成电能储存在电动自行车蓄电池里，作为电力来源之一供电动车使用。12当前研究现状121国外研究现状能源和环境问题是近年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都已将发展光伏发电技术作为重点。在技术进步和相关鼓励政策的双重推动下，太拜I能光伏产业自20世纪90年代后期进入了高速发展的时期。最近10年太阳能电池及组件生产的年平均增长率达6河南农业大学硕士论文到33，最近5年的年平均增长率达到43，2006年世界太阳电池产量达到2500MWP。值得注意的是，中国2006年太阳电池的产量达到3695MWP，紧随日本和德国之后，位居1H界第三大光伏电池生产国。F3J1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳能电池。从此揭开了太田1能开发利用的新篇章。1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，1998年德国政府进一步提出了LO万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等，1999年的光伏发电电价为每度电099马克，极大地刺激了德国乃至世界光伏市场的发展。日本在光伏发电与建筑相结合方面已经付出了十几年的努力，其光伏屋顶发展的特点，是将太阳能电池组件制作成建筑材料的形式，如瓦和玻璃等，这样太阳能电池就能够较容易地安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。美国是最早进行光伏并网发电的国家，自上世纪80年代初就开始实施PVUSA计划，即光伏发电公共电力规模的应用计划1996年，在美国能源部的支持下，美国又开始了“光伏建筑物计划”，投资20亿美元。1997年6月，克林顿总统宣布实施“百万太阳能屋顶”计划，每个光伏屋顶将有3SKW光伏并网发电系统，有阳光照射的情况下，屋顶向电网供电，电表倒转；无阳光照射时，电网向家庭供电，电表正转，用户每月只需交纳净电费”。此外，意大利、印度、瑞士、荷兰、西班牙也都有类似的光伏发电应用计划。从世界范围来讲，光伏发电已经完成了初期开发和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围几乎已遍及所有的用电领域。近几年，光伏产业及相关技术有较快的发展，其应用领域和市场需求也正在不断扩大，近五年来，平均增长率达30以上，日本等少数国家增长率几乎达100。并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。欧洲光伏市场是世界最大的光伏市场，而且仍在持续增长。其中，德国光伏市场所占份额全球最大，2006年占510，2007年占4699。亚洲光伏市场近几年有所萎缩主要由于亚洲拥有最大光伏市场的日本结束了光伏补贴政策，导致市场发展滞后，我国光伏市场份额更小。2006年、2007年皿洲太刖能电池产量约占世界电池产量的65。由此可见，亚洲是太阿J能电池的主要生产和输出地区。距洲的太阳电池生产主要集中在中国大陆、中国台湾和日本。2007年中国大陆太阳能电池产量达到1088MW,占全世界太阳能电池产量的272。14122国内研究现状中国光伏制造产业迅猛发展得益于欧洲光伏市场的带动，我国的光伏产业在2004年之后经历了飞速发展的过程，连续5年的年增长率都超过100。2007年至今，中国光伏电池产量已连续4年居世界首位。2010年，中国光伏电池产量已经超过全球总产量的一半。目前已经有数十家光7河南农业大学硕士论文伏公司在海内外上市，据调查，行业的年产值超过3000亿元人民币，直接从业人数超过30万人。中国光伏产业走上了飞速发展之路，已经掌握了包括太阳能电池制造、多晶硅生产等关键工艺技术，设备及主要原材料逐步实现国产化，产业规模快速扩张，产业链不断完善，制造成本持续下降，具备较强的国际竞争能力。151但是值得注意的是，作为光伏制造大国，我国的光伏应用市场仍未完全打开。光伏发电和常规发电的高差价限制了光伏发电在我国市场的成长。多年来，我国光伏市场较多的集中于离网农村电气化工程，而在交通工具方面的应用相对较少。由于近年来汽油价格日趋上涨，我国的交通问题的解决不能依靠发展汽车，许多地方禁止摩托车上路，环保的压力，能源的紧张，石油、煤炭资源的有限，这些都促进了电动自行车的发展。电动自行车以方便、舒适、经济、实用受到广大市民的青睐，以节能环保受到政府相关部门的政策鼓励。电动自行车无论行驶还是停放，作为代步交通工具，都能够节约大量的道路资源。我国的太阳能电动自行车事业起步较晚，太阳电动自行车的研发工作主要由各院校和科研院所进行。在我国国家知识产权局与太阳能相关的专利中，有很大一部分是与太阳能并网发电和太阳能热水器相关的，直接与太阳能自行车相关的专利不多。13目前存在的问题及发展趋势目前来说，普通电动自行车主要存在的问题在于安全问题、电池污染问题、价格过高问题、电机的质量问题、售后服务问题等。这也是导致一些城市不给电动自行车上牌的主要原因，下面就这些问题具体分析一下。131电池污染问题在蓄电池的收集、储存、运输过程中，有一些废旧电池中还会残存有能量，有可能引起爆炸等事故；机械损伤或腐蚀作用可能会导致废液渗漏，腐蚀存储容器和运输工具等。上述这些情况都将导致大量重金属溶解并污染环境，而且在处理过程中，任何一种不规范的处理措施都可能会导致环境污染。132蓄电池寿命问题目前电动自行车所用的蓄电池一般为铅酸蓄电池，今后几年也不会有根本性的改变。以铅酸蓄电池为例，铅酸蓄电池充放电的过程是电化学反应的过程，充电时，硫酸铅形成氧化铅，放电时氧化铅又还原为硫酸铝。硫酸铅是一种非常容易结晶的物质，结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，使电极板有效工作面积减少，这种现象Q做硫化。硫化也将导致电池容量逐渐下降，直至无法使用。只要是铅蓄电池，在使用的过程中都会硫化，但其它领域的铅酸电池的使用寿命却比电动自行车上使用的铅酸蓄电池要长，这是冈为电动自行车的铅酸蓄电池的工作环境更容易产生硫化现嚣河南农业大学硕士论文象。具体缩短蓄电池使用寿命的因素主要有以下几点1深度放电用在汽车上的铅蓄电池只是在点火时单向放电，点火后发电机会对电池自动充电，不造成电池深度放电。而电动自行车在骑行时经常会超过60的深度放电，深放电时，硫酸铅浓度增加，硫化就会相当严重。2大电流放电电动自行车正常行驶时巡航电流一般是4A，这个电流相比其它领域的电池工作电流已经是比较大的了，而电动自行车一旦超速或超载，它的工作电流就会更大。电池制造商都进行过LC充电70，2C放电60的循环寿命试验。经过这样的寿命试验，可达到充放电循环350次寿命的电池很多，但是实际在用的效果就相差甚远了。这是因为使用较大的电流工作时，增加了50的放电深度，电池会加速硫化。所以，电动三轮摩托车的电池寿命更短，因为三轮摩托车的车身太重，工作电流达6A以上。3充放电频率高用在后备供电领域的电池，只有在停电时才会放电，如果一年停8次电，要达到LO年的寿命，只用做到80次循环充电寿命，而电动车一年充放电循环300次以上很常见，高频率的充放电势必会缩短蓄电池寿命。4短时充电由于电动自行车是交通工具，可充电的时间不多，要在8小时内完成36伏或48伏的20安时充电，就需要适当提高蓄电池的充电电压，当充电电压超过单节电池固有的的析氧或析氢电压时，蓄电池就会因为过度析氧而开阀排气，造成失水，电解液浓度也会因此增加，从而加重电池的硫化。5放电后不能及时充电作为日常生活中频繁使用的交通工具，电动自行车的充放电过程被分离开，放电后往往不能及时充电，而放电后产生大量的硫酸铅，如果超过半小时不通过充电还原为氧化铅，就会硫化结成晶体。133蓄电池笨重充电难电动自行车所用的铅酸蓄电池有30斤左右，取出来充电非常笨重，如若私拉电线，又会造成安全隐患，尽管街头出现了快速充电站，但是这种快速充电的方式对蓄电池危害较大，所以，蓄电池充电问题还有待改善。9河南农业大学硕士论文134尚处于研究阶段，技术不成熟纵观太阳能电动自行车的发展现状，太阳能电动自行车技术有以下几方面的发展趋势1目前，太阳能电动自行车的开发研制大部分集中在形象工程部分，实用型太阳能电动自行车还较少有人开发，而小规模的研制也仅限于小功率利用和辅助利用，且在我国还很少见。2太阳能电动自行车开发技术还不成熟，没有系统的理论基础，相应零部件的开发还处于空白阶段。3应用于太阳能电动自行车的先进技术，如光电技术，轻质车身技术、控制技术等，仍有待于提高。C4目前开发太阳能电动自行车的费用仍比较高，所以，降低太阳能电动自行车各部件，如太阳能电池板、蓄电池等的成本，将成为未来研究的主要方向嘲。14本文研究的内容本文以电动自行车的太阳能充电装置为研究对象，在光伏发电技术与独立光伏发电系统设计的基础上，开发出适用于电动自行车的太阳能充电系统装置，并采用最大功率追踪法分析系统的效率及性能。本文通过对当前主要研究的问题与关键技术进行分析，以及发展趋势与应用前景进行研究，并明确了主要研究内容。主要通过电动自行车每天平均消耗的电量确定所需太阳能电池板的功率，进而确定电池板的面积大小，在考虑到电动自行车外观及行车安全等诸多因素后，最终确定了采用顶棚式安装的方法来阎定太阳能电池板；主要研究了光伏发电系统的设计，并根据系统不同组件受光照、温度等外部环境影响不同，对系统整体性能参数做了深入分析。本文所设计的太阳能充电装置可以实现电动白行车的太阳能充电。既解决了普通电动自行车充电难的问题，又利用了太阳能这一新型能源，低碳环保。河南农业大学硕士论文2光伏发电系统设计21光伏发电系统的组成和原理211光伏发电系统的组成独立太阳能发电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组成。若输出电源为交流220V或L10V，还需要配置逆变器。以上各部分的作用分别为太阳能电池板太阳能电池板是本课题所研究的独立太阳能发电系统的核心，它的作用是将太阳能通过光生伏特效应转换为电能，或送至系统的蓄电池中储存起来，或提供给负载工作使用。由于太阳能电池板价格较高，因此它的质量和成本对整个系统的质量和成本影响非常大。太阳能充放电控制器太阳能控制器的作用是调解控制整个系统的工作状态，并在工作过程中对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，所配的太阳能控制器还应该具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都是合格太刚能控制器的可选项。蓄电池使用较多的是铅酸蓄电池，小型、微型系统中，也可以使用性能较好的镍氢电池、镍镉电池或锂电池。蓄电池的作用是将太阳能电池板在有光照时所转换的电能储存起来，需要的时候再输出提供给负载。逆变器在大多数场合，光伏发电系统都需要提供220V的交流电源，由于太阳能电池板的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，为方便向220VAC的电器提供电能，就需要将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电，因此需要使用DCAC逆变器。由于本装置为直流发电充电模式，不需要向交流负载供电，所以不需要逆变器。212太阳能发电的原理太阳能发电有两种模式，分别是光热发电和光伏发电，通常说的太阳能发电是指太阳能光伏发电，也就是“光电”。光伏发电是一种利用半导体界面的光生伏特效应将光能转变为电能的技术，这种技术的关键部件是太阳能电池。通过将太阳能电池串联，然后对其进行封装保护，从而形成大面积的太阳能电池组件，再配上太阳能控制器等部件就形成了太阳能光伏发电装置。光伏发电方式主要分为以下两种1光热一电转换方式这种方式主要通过利用太阳辐射产生的热能进行发电，发电过程是由太阳能集热器把吸收的热能转换成工质的蒸汽，然后驱动汽轮机进行发电。前一个过程属于光一热转换过程，第二个过程属于热一电转换过程，发电原理与火力发电相似。太阳能热发电的缺点是成本较高，效率却不是很理想。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20,一25亿美元，平均LKW的投资为2000到|L河南农业大学硕士论文2500美元。由于发电成本较高，所以只有在某些特殊场合才会有小规模地应用，大规模地应用尚难以实现。2光_电直接转换方式这种转换方式的发电原理是利用光电效应，将太阳能直接转换成电能，这种转换方式的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种通过光生伏特效应而将太阳能直接转化为电能的元件，相当于一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管便将太阳光能转换成电能，从而产生电流。当多个太阳能电池串联或并联起来就可以成为拥有较大输出功率的太阳能电池阵列了。太阳能是一种绿色无污染的新型电源，拥有灵活性、永久性和清洁性三大优点。太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户所需的太阳能电池组，这点是其它电源无法比拟的；太阳能电池寿命长，一般可持续使用20年；太阳能电池在使用过程中不会引起环境污染。22实验器材的选取221太阳能电池板的选择2211太阳能电池工作原理太阳能电池的发电原理主要是半导体的光生伏特效应，即光电效应。所谓光生伏特效应是光电材料吸收了光能之后产生电动势的效应。【91半导体的结构如图2_4。嘲”时一粤制“嘲叫一审II一一囝一国一一国一囝国硅原子囝一9一国一E一T园一囝电子囝囝一一国一囝一囝园一舀一密一吉面，南一奄图24半导体结构蚤季二蚕三誊鼍囊三委鲁觚好79一黪一一囝一囝一穆。，国一9一移一一，E一国V面奎一9一勘一囝一一囝钐硼原子由一。亩一杳一密一面一宅空穴河南农业大学硕士论文图25掺入杂质后的变化图25中硅原子用正电荷表示，围绕在硅原子旁边的电子用负电荷表示，而黄色的点表示掺入的硼，因为硼的周围只有三个电子，于是产生如图所示的空穴，这个空穴因为没有电子而变得极不稳定，很容易吸收电子而中和，形成|N型半导体。同样掺入磷原子后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子非常活跃，形成P型半导体。如图26。图26P型半导体硅原子8电子彩瓤子。活跃电子N型半导体含有较多的空穴，而P型半导体含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合时，就会在表面形成电势差，这就是PN结，如图27。图27PN结形成过程N藏毕蟹体P撼毕蟹体当晶片接受光照后，PN结中N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区的电子往N型区移动。从而形成了从IN区到P区的电流，从而在PN结中形成电势差，于是就形成了电源。22。12太阳能电池工程应用主要参数1开路电压太阳能电池组件在外电路开路的情况下的端电压称为开路电压，用VOC表示。2短路电流当太阳能电池通过外电路直接短路时，经过外电路的电流，用符毋卵表示。3峰值功率太阳能电池的最大输出功率，用砌表示。半囝。P国。囝器擒硒留国。E奄E掣呻焉坳爸国麓钙。德，固。翁。9露，9参。影，鸯河南农业大学硕士论文4最大功率时的电压VM。5最大功率时的电流伽。2213太阳能电池种类1单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已，。泛应用于高新科技工程。这种太阳能电池以纯度要求99999的单晶硅棒为原料，为了便于推广应用，现在多数场合降低了生产成本，采用太阳能级的单晶硅棒为原料，材料性能指标有所放宽。将单晶硅棒切成片，一般厚度为03毫米。将切好的硅片进行抛磨、清洗，原料硅片也就制成了。加工太刚能电池片的过程，就是在硅片上掺杂并进行扩散的过程，一般使用微量的硼、磷、锑等作为掺杂物，而扩散过程是在石英管制成的高温扩散炉中进行的，于是这样就在硅片上形成了PN结，然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，从而防止大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，整个单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片通过抽样检验，就可以按需要的规格组装成太阳能电池组件了。用户可以根据自身系统所需，将太阳能电池组件组成恰当规格的太阳能电池方阵进行使用。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为17左右，实验室所用单晶硅太阳能电池的光电转换率已经达到20以上。2多品硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的生产需要耗费大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗较大，占太阳电池生产总成本的一半以上。而且拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成的太阳能组件利用率与单晶硅太阳能电池相比较低。为此近几十年以来，一些欧美国家在多晶硅太阳电池的研制方面投入大量精力。目前多晶硅太阳能电池的制作原料，大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或是废次单晶硅料和冶金级硅材料。多品硅太阳能电池的制作过程是选取电阻率为100“300欧姆厘米的多晶块料，经过对其破碎，用L5的氢氟酸和硝酸混合液对其进行腐蚀，然后用去离子水将其冲洗至呈中性并进行烘干。接着将多晶硅料用石英坩埚装好，加入适量硼硅，放入浇铸炉，在真空状态加热使其熔化。熔化后应保温约20分钟，然后将其注入石墨铸模中，等到凝固冷却后，便得到多晶硅锭，这种硅锭可以铸成立方体，以便切片加工成太阳能电池片，可提高材料利用率而且便于组装。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相似，其光电转换效率约14左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但其优点是材料制造简便，电耗较小，总的生产成本较低，因此得到大量发展和应用。3非晶硅太阳电池非晶硅太阳能电池出现于1976年，是一种新型薄膜式太阳能电池，它与晶体硅太阳能电池的14河南农业大学硕士论文制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，正是这点非常吸引人。制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，其他还有化学气相沉积法、反应溅射法、热分解硅烷法和电子束蒸发法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空状态，向其中充入氢气或氩气稀释的硅烷，然后用射频电源加热，使硅烷电离，从而形成等离子体，非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上。如果硅烷中掺入适量的氢化硼或氢化磷，便可得到P型或N型的非晶硅膜，电池的衬底材料一般使用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的制作方法，关键在于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度要求也非常高。非晶硅太阳能电池的结构不尽相同，比较好的一种结构NQPIN电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，然后在上面沉积一层未掺杂的I层，最后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，通过用电子束蒸发一层减反射膜，并且蒸镀银电极。这种制作方法，可以采用一连串的沉积室，在生产过程中形成连续程序，以便于实现大批量生产。同时，非晶硅太阳能电池结构轻薄，可以制作成叠层式，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次可制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳能电池单个只有05V左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阡L能电池可达24伏。目前非晶硅太阳能电池存在的问题是光电转换效率较低，目前的先进水平达到10左右，但是不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量应用于大型太阳能电源，而且多半用于弱光电源，如电子钟表、复印机及袖珍式电子计算器等方面。预计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳能电池的应用将大幅增加，由于它成本较低，重量较轻，应用方便，而且它可以与房屋的屋面结合，构成住户的独立电源。4多元化合物太刚能电池多元化合物太阳能电池不是用单一元素半导体材料制成的，现在各国研究的品种繁多，虽然大多数尚未_【业化生产，但预示着光电转换的美好前景。以下简单介绍几种硫化镉太阳能电池早在1954年，雷诺兹就发现了硫化镉具有光生伏特效应。1960年通过真空蒸镀法得到了硫化镉太阳能电池，当时的光电转换效率仅为35。到了1964年，美国也制成了硫化镉太阳能电池，将其光电转换效率提高到46。此后欧洲掀起了硫化镉太阳能电池的研制高潮，把光电转换效率提高到了9，但是仍然无法与多晶硅太阳能电池竞争。不过人们始终没有放弃它，除了研究烧结型的块状硫化镉太阳能电池以外，更加着重于研究簿膜型硫化镉太阳能电池。它利用硫化亚铜作为阻挡层，形成异质结，按照这种材料的理论计算，理想状态下其光电转换效率可以达到164。中国科学院长春应用化学研究所于80年代初曾把薄膜硫化镉太阳能电池的光电转换效率做N76。尽管非晶硅薄膜电池影响在业内很大，但至今仍有部分国家在硫化镉太阳能电池研究上不遗余力，因为这种太阳能电池制造简单，设备问题容易解决。河南农业大学硕士论文砷化镓太阡I电池砷化镓是一种比较理想的太阳能电池材料，它与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在2500C的条件下，它的光电转换性能依然良好，其最高光电转换效率约30，尤其适合做高温聚光太阳能电池。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓、多晶砷化镓、金属半导体砷化镓、金属一绝缘体半导体砷化镓、镓铝砷一砷化镓异质结太阳能电池等。砷化镓材料的制备方法与硅半导体材料类似，有直接拉制法、晶体生长法、液相外延法、气相生长法等。由于镓材料比较稀缺，而且砷有毒，冈此制造成本高，这种太阳能电池的发展也就受到影响。铜铟硒太阳电池以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料制成的太阳能电池。这种太阳能电池是一种多晶薄膜结构，一般采JJ真空镀膜、电沉积、电泳法或化学气相沉积法等工艺进行制备，材料消耗少，成本低，性能稳定，光电转换效率在10以上。因此是一种可与非晶硅薄膜太阳能电池相竞争的新型太阳能电池。近来还发展用铜铟硒薄膜加在非晶硅薄膜之上，组成叠层太阳能电池的可能，借此提高太阳能电池的光电转换效率，并克服非晶硅光电效率的衰降现象。太阳能电池种类如图28所示，综合其各项性能指标，由于多晶硅太阳能电池板技术成熟，已可成批量生产且价格相对低廉，使用范围广泛，因此，在充分考虑了经济性以及适用性的情况下，本文采用了性价比较高的多晶硅太阳能电池板，既有较高的光电转换率，又不至于造成太高的经济成本。222太阳能控制器的选择2221控制器的基本原理图28太阳能电池种类COMHECRYMIFM1M融1HM河南农业大学硕上论文图29所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理。在该电路原理图中，这一基本的光伏应用系统由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成。如图所示开关KI、K2分别表示充电开关和放电开关，属于控制器电路的一部分，开关K1、K2的开合由系统工作状态来决定当蓄电池充满时开关KL断开，否则闭合；当蓄电池过放时放电开关K2断开，否则闭合。开关KI、K2包括各种开关元件，如各种电子开关、机械开关等。电子开关，如晶闸管、达林顿管、功率场效应管、小功率三极管、固态继电器等；机械式开关，如交直流接触器、继电器等，根据系统不同的要求选取相适合的开关元件。IL川图29控制器基本原理2222控制器必须具备的几个基本功能对PV系统的充放电调节控制是光伏应用系统的一个重要功能。对小型或微型系统，可以采用简单的控制器组成的系统来实现，对于大中型光伏发电系统，也可以采用包括一组功能更为复杂的控制设备组来实现。除了小系统如一般的太阳能灯具等和消费类产品的应用外，在光伏系统中使用的充放电控制器必须具备以下的几个功能1防电池过充的功能；2防电池过放的功能；3控制负载工作状态的功能；4提供系统工作状态信息给使用者操作者的功能；5提供备份能源控制接口功能；6提供能将PV系统富余能源给辅助负载消耗的功能；7提供各种接口如监控的功能。2223开发与选购控制器需要注意的几个问题除了上面提到的几个基本功能防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能等外，控，7河南农业大学硕十论文制器的选择还有以下几个重要指标1控制器本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，自耗电流应小于额定工作电流的1，因此电路的设计与低耗功器件的选择非常重要。2回路压降要低。回路电压降应该小于系统电压的5，电路的设计与开关器件的选择与回路电压降关系密切。3防止PV组件或蓄电池反接保护。可以在蓄电池正极相串联的熔断器与蓄电池负极之间并联一个大功率二极管。4防止反充保护。在太阳能电池正极输入端串联防反充二极管防蓄电池电流倒流。5防止雷击保护。如果系统安装在易遭雷击的地方，可以在控制器输入端并接压敏电阻或者增加其他防雷措施。223蓄电池的选择2231电动自行车对蓄电池的基本要求1比能量比能量指的是单位重量或单位体积的能量，用WHKG或WHL来表示。它是电动自行车能否达到合理行驶里程的重要性能。2充电时间短蓄电池可以实现感应充电，对充电技术没有特别的要求。电池的正常充电时间应小于8小时，而且可以适应快速充电的要求，电池快速充电20MIN左右电量达到额定容量的一半。3连续放电率高，自放电率低电池能够适应快速充放电的要求，连续放电1小时后电量可以达到额定容量的30左右。电池的自放电率要低，这样才可以长期存放。4运行环境简单蓄电池在常温下能够正常稳定地工作，不受环境温度的影响，能够适应电动自行车行驶时的震动。5安全可靠蓄电池应该洁净、干燥，电解质不会因为渗漏腐蚀接线柱、外壳而引起自燃。废旧电池达到可以回收处理和再生处理的标准。河南农业大学硕士论文6寿命长、免维修蓄电池的循环充电寿命不低于1000次，在使用年限内，不需要对蓄电池进行必要的维护和修理。2232蓄电池种类及其特性1铅酸电池VRLA铅酸电池至今已有一百多年的历史。主要分为以下几类开口管式铅酸电池有较高的比能量，良好的循环寿命，自动加水，具有少维护的特点。阀控胶质管式铅酸电池有较高的比能量和比功率，良好的循环寿命，具有免维护的特点。平板阀控铅酸电池有较高的比能量，具有免维护的特点。薄板阀控铅酸电池有较高的峰值功率，可循环次数高，具有免维护的特点。铅酸电池单体的额定电压2V，比能量为35WHKG，能量密度为70WHL，比功率为200W堙。而且铅酸电池技术成熟，价格低，但是铅酸电池的重量比较重，比能量相对较低，随着技术的不断发展，即新型铅酸电池的不断出现，铅酸电池的比能量不断提高，成为众多设计者的选择。【L2镍基电池镍一镉电池NICDNICD电池单体额定电压12V，比能量可以达到55腑姆，比功率超过225W堙。工作电压稳定，能够快速充电。镍一镉电池充放电性能较好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率较大，深度放电性能也很好。循环使用寿命长，可达到2000次或7年以上，是铝蓄电池的两倍。采用全封闭外壳，可以在真空环境中使用。低温环境下性能也好，便于长期存放，但是镍镉电池价格比较贵。镍一氢电池JF一膨日单体电池的电压为12V，比能量7580WH姆，能量密度可达200WH厶比功率16B230W培，充电18MIN可恢复400O80的容量，应急充电效果好，一次充电后行驶里程长，而且启动加速性能好。可以在2280。C环境下工作，循环寿命达1000次，但高温条件下使用时电荷急剧下降，自放电损耗大，价格较贵。镍锌电池朋ZN单体额定工作电压16V，比能量60WH堙，能量密度120WH厶比功率300W姆，与其他镍基电池相比，能量高，比功率高，电池单体电压高，设计成本低，无毒性，允许过充电和深度放电，可以以大的电流充放电，工作温度范围宽在2晰0。NIZN电池的致命缺点是循环寿命短大约为300次。3钠_电池NA一钠硫电池NAS拥有较高的比能量100WHKG，能量密度为150WHL，比功率200W，9河南农业大学硕士论文KG，80的能量效率，灵活的工作特性和对环境条件改变的不敏感。但MRS电池目前存在许多问题，如安全问题熔铸活性物质具有腐蚀性并且反应活跃，冻结一解冻耐久力问题仍未得到解决。钠一氯化镍电池2NA一VJFC，电池单体额定电压为25V，比能量86WHKG，能量密度149WH三，比功率150WL姆，与NAS电池相比较，有更高的开路电压，更大的温度范嗣，工作温度可达2500G3500C，化学反应物的安全性更好，更加可靠的失效模式，更好的冻结解冻能力。但是2NANICI电池的缺点是成本高，比功率低。4锂电池锂聚合物电池LITHIUMPOLYMER电池单体额定电K3V，比能量155臃堙，能量密度220WHL，比功率315W姆，最大的优点为单体电池的电压高，比能量、比功率和能量密度高，自放电率低，形状和尺寸容易改变，并且设计安全。但是由于导电离子对温度的变化很敏感，该电池的低温性能较差。锂离子电池LIION电池单体的额定电压高达36_4V，比能量为90130WH姆，能量密度为140200T砀厶比功率高达260WIKG，设计可靠，循环寿命长，但仍具有自放电率高的缺点。5空气电池锌空气电池ZINCAIR单体电池的额定电压为12V，比能量为180WHKG，能餐密度160WH厶比功率为95W碚。ZINC_口驴电池虽然有较高的比能量，但释放速度较慢，对车辆的动力性能有较大影响。通常的充电方法充电时间很长，给使用带来不便。铝空气电池ALUMINURNAIR单体额定电压14V，比能量250WH堙，能量密度200WH厶但是比功率仅为70W姆，比功率较低，充电和放电缓慢，自放电率大。根据以上分析可以看出，若按比功率、比能量、能量密度、充放电循环寿命等各项指标综合比较的结果，镍镉、镍氢和锂电池最为适合太阳能电动车使用，但是价格昂贵，且需要更加成熟的技术。铅酸电池虽然比能量、比功率较差些，但技术成熟，价格低廉，是较好的选择。23太阳能充电系统电路设计231系统主电路设计如图210所示本系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池、直流负载以及仪表盘等组成，在实验过程中通过对太阳能电池输出电压、电流的定时采样，以及对太阳能控制器输出电压、电流即给蓄电池充电的电压、电流的定时采样，准确把握系统的充电特性，主要包括以河南农业大学硕士论文下几个方面1系统开始充电时的参数测量2系统即将完成充电时的参数测量3系统带动负载工作时的参数测量232系统控制电路设计2321太阳能电池工作特性图210太阳能充电系统的组成要设计光伏发电系统，首先要了解太阳能电池的工作特性，太阳能电池特性具有明显的非线性，作为光伏系统的基础，其工作特性，包括工作电压和电流，与日照、太阳能电池温度等有着密切的关系。图211、图212分别给出了太阳能电池温度在25“C时工作电压、电流D和日照S的关系曲线以及太阳能电池的输出功率P和日照S、工作电压U之间的关系曲线。从图211可以看出。曲线上任一点处的功率为PUI，其值除和U，L有关外，还与日照S、太阳能电池温度等有关。由图212进一步可知，由于太阳能电池的工作效率等于输出功率与投射到太阳能电池面积上的功率之比，为了提高本系统的工作效率，必须尽可能地使太阳能电池工作在最大功率点处，这样就可以用功率尽可能小的太阳能电池获得最大的功率输出。在图21L和图212，A、B、C、D、E点分别是对应不同日照时的最大功率点。21河南农业大学硕士论文2322系统主电路2，0015010DO50IOO200300。400S00600图211工作电压、电流和日照关系曲线100A300，4805孵600图212输出功率和日照、工作电压关系曲线独立光伏发电系统主要包括太阳能电池组件、PWM型控制器、蓄电池、负载等组成。系统中电池板、蓄电池和负载分别接到太阳能控制器的相应接口，负载的工作和蓄电池的充放电均由控制器控制。工作原理为在有阳光照射的情况下，太阳能电池板将光能快速转换成电能，提供能量给负载工作，同时将多余的能量储存到蓄电池中。在不能进行光电转换的夜间及阴雨天气，将蓄电池中的电量释放出来供给负载工作。22啪鲫鲫枷抛河南农业大学硕士论文光扶组件图213系统主电路图23譬电池河南农业大学硕士论文3实验部分31实验器材如图31所示，我们的实验装置包括太阳能电池板两块，单块50W、蓄电池、PWM型太阳能智能控制器、万用表、光度计、温度计、负载用相同功率的灯泡代替电机、接线夹，导线若干。32实验方法图31实验装置图通过对太阳能电池板输出电压、电流的实时监测，以及控制器输出电压、电流的监测，证实本装置可以为电动自行车蓄电池充电，并通过智能控制器对充电过程进行过充过放保护，本装置运用了光伏发电，电子电路，电源系统控制等技术，使系统的充电性能以客观的数据表现出来。33实验结果与分析33I实验数据试验中，我们测量了温度，光照等因素对光伏组件发电的影响。对于两块L平方米的多晶硅电池板，串联时开路电压UOC为804V左右，短路电流ISC为118A左右，如表31和