高效太阳能充电系统的研究应用.doc

浙江省大学生物理创新竞赛“科技创新竞赛”参赛作品（论文）

高效太阳能充电系统研究

浙江工商大学

通信0802 李 莹
网络0801 汤 淇
通信0802 裴优敏

高效太阳能充电系统研究
李 莹 汤 淇 裴优敏
（浙江工商大学）

摘要：简介一种运用升压和降压模块电路，对光伏板输出电压进行自动调节，可以高效地给蓄电池进行充电。阐述系统在强光和弱光下均能稳定地对蓄电池进行充电电路调节原理，较好地解决了老式上运用电阻调压高损耗问题。运用电感、电容等储能元件，真正做到了在调压过程中低消耗，达到了高效充电目。通过对有关实验数据分析，证明了该高效太阳能充电系统特点及应用优势。

核心字：太阳能 高效 升压 降压

Research on Efficient Solar Battery System
LI 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 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，we prove the features and application advantages of this efficient solar battery system.

Key Words： solar energy efficient booster step-down

1.物理背景
人类寻找新能源工作已有相称久历史了，但是世界性环境污染和能源短缺迫使人们要更加努力寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源过程中，人们很自然把目光投向了各种可再生代替能源。众所周知，照射在地球上太阳能非常巨大，大概40分钟照射在地球上太阳能，便足以供全球人类一年能量消费。并且太阳能发电绝对干净，不产生公害。因此太阳能发电被誉为是抱负能源。
太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着要将太阳光直接转换成电能，它必要借助于能量转换器才干转换成为电能。太阳能电池（即光伏板）是一种对光有响应并能将光能转换成电力器件。能产生光伏效应材料有许各种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们发电原理基本相似，现以晶体为例描述光伏发电过程。P型晶体硅通过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。
当光线照射太阳能电池表面时，一某些光子被硅材料吸取；光子能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压作用下，将会有电流流过外部电路产生一定输出功率。这个过程实质是：光子能量转换成电能过程。
2.工作原理
高效太阳能充电系统工作框如图1所示，重要由光伏板、控制继电器、光伏检测电路、升压和降压电路及蓄电池等构成。

图1 系统工作框图
当光照比较弱时，光伏板输出电压在2V-6.5V左右时，升压电路工作，输出稳定6.5V电压，对蓄电池进行充电。当光照比较强时，光伏板输出电压不不大于6.5V时，降压电路工作，输出稳定6.5V电压，对蓄电池进行充电。因而，不论在强光还是弱光下，电路都能对蓄电池进行充电，在很大限度上提高了太阳能运用率。
3.系统工作分析
1) 光伏板输出电压检测及功能切换电路

图2 光伏板输出电压检测电路图
图2所示电路用来调节继电器内控制开关吸合与断开。J1为继电器，1、2脚为继电器内线圈， 4脚是常开引脚，接降压电路，5脚是常闭引脚，接升压电路。插座JP1接光伏板，光伏板输出电压Vin，通过R1、R2、R3分压，为TL431输入电压（即R3两端电压），当VR3不不大于TL431内部基准电压2.5V，即V时，TL431饱和导通，继电器线圈通电，继电器内常闭触点断开，常开触点闭合，接降压电路。发光二极管D10起批示作用。
2) 升压电路

图3 升压电路
当继电器线圈两端电压不满足吸合条件时，继电器内常闭触点闭合，常开触点断开，接升压电路，如图3示，当有电压输入时， Q1导通，提供Q2一种正向偏置电压，继而Q2导通，电流流过电感L1，L1开始储能，当L1达到磁饱和时，流过它电流发生跳变，Q2集电极电压上升，由于C7耦合伙用，Q1基极电压也随着跳变，Q1由导通变为截止，Q2也随之截止。由于L1电流方向不能突变（自左向右），电流通过D1、D4给电池充电（L1释放能量），（左负右正）-，当时，Q3导通，给Q1基极提供正向偏置，继续维持Q1截止状态。随着流过L1电流减小，V1也随着减小，Q1基极电压减小，进而Q1又导通，流过L1电流增大，L1重新进入储能状态；重复上述过程，IL将在一定范畴内波动。输出电压。二级管D4起防倒灌作用。
3) 降压电路
蓄电池充电电路分析，如图4所示，当开关闭合时，有电流流过L2，且逐渐增大，L2进行储能，此过程对C4和蓄电池进行充电，当V1电压增长到一定值时，断开开关，由于L2电流方向不能突变（自左向右），D6对此电流进行续流，L2电流逐渐减小，此时C4对外放电，通过D9对蓄电池充电。

图4 蓄电池充电电路分析图
当V1减小到一定值时，再闭合开关，流过L2电流继而增大，重复上述过程。可见，图4电路充电电压V1将在一定范畴内上下波动。
图4中开关可用脉冲波代替，脉冲波高电平相称于开关闭合，脉冲波低电平相称于开关断开。此脉冲波可由图5示电路提供。

图5 脉冲波发生电路
如图5示，V5为一锯齿波电压，电路导通时，电压比较器正极电压为V5，负极为0V，因此电压比较器7脚输出高电压（Vin），三极管Q4、Q5导通，此时V1=Vin—1.4V，Q4、Q5未达到深度饱和。D5、R12和C3构成自举电路，将Q4基极电压升至2Vin—1.4V ，Q4、Q5达到深度饱和，Q5集电极与发射极压差降至0.3V。随着电感L2电流逐渐增大，电压V2也随之增大，电压比较器负极电压增大。当比较器负极电压不不大于正极电压V5时，比较器7脚输出低电压（如图6所示），三极管Q4、Q5随之截止。由于电感电流不能发生突变，二极管D6对电路续流，电容C4开始放电，继续对蓄电池充电。而随着电感L2电流减小，电压V2也随之减小，电压比较器负极电压减小，比较器正极电压VC为锯齿波电压，会上下波动，当比较器负极电压又不大于正极电压VC时，比较器7脚输出高电压（如图6所示），三极管Q4、Q5导通，重复上述过程，电压V2会稳定在一种较小范畴内，即实现了图4所示功能。

图6 电压比较器电压波形
图5中输入锯齿波电压V5可由图7所示电路提供。

图7 锯齿波发生电路
如图7所示，R5、R6和D8起稳压作用，给比较器3脚提供一种稳定电压。当有电压输入时，电流流过R9和R10 对电容C5充电，逐渐增大，此时，比较器1脚输出高电平（），进而对C5充电。当增长到一定值，使得（即）时，比较器1脚输出低电平（0V），C5开始放电，逐渐减小，当（即）时，比较器1脚输出高电平（），此时，又重新对C5充电，重复上述过程，将在一定范畴内波动（如图8所示）。

图8 输出锯齿波波形
综上所述，即可得系统降压电路如图9所示，当继电器线圈两端电压满足吸合条件时，其内控制开关处在吸合状态，接降压电路（即图9）。

图9 降压电路图
4.技术分析
在普通太阳能充电系统中，光伏板只能工作在一定光强下，当太阳光不不大于此光强时，光伏板可以输出一种不不大于蓄电池充电电压电压，通过控制电路作用，可以对蓄电池进行充电。但当太阳光不大于此光强时，光伏板输出电压不大于蓄电池充电电压，此时控制电路作用并不能满足蓄电池充电规定。而在运用光伏板对蓄电池充电过程中，由于太阳光照强度限制，光伏板输出电压并不能时刻满足蓄电池充电规定，蓄电池会时常处在充电中断状态，这既不利于蓄电池运用，又是对于太阳光能极大挥霍，并且普通太阳能充电器功耗较大。
基于咱们研究高效充电系统，咱们对其进行有关数据测量，详细如下：运用直流稳压电源模仿光伏板对蓄电池充电时，有关数据如表1示。
表1 直流稳压电源模仿光伏板对蓄电池充电时有关数据登记表*
电路输入电压
/ V
继电器工作状态
二极管工作状态
电流表达数

/ mA
电路板输出电压
/ V
蓄电池充电电压
/ V
电路板空载输出电压 / V
2.17
常闭
不亮
0
6.518
6.518
6.674
3.64
常闭
不亮
2.5
6.522
6.520
6.714
5.513
常闭
不亮
7
6.530
6.523
6.820
6.308
常闭
不亮
7
6.535
6.529
6.865
7.670
吸合
亮
0
6.529
6.529
6.601
8.257
吸合
亮
0
6.562
6.561
6.590
9.311
吸合
亮
85
6.714
6.633
6.698
由上表分析可得，在电路输入压较小时候，相应于光照强度较弱时光伏板输出，电路工作在升压装置。第一组数据由于电流较小，电流表量程较大，几乎没有示数。随着输入电压增大，相称于光照强度加强，电路输出电压稳定在6.5V左右。当输入电压加大到一定值时，继电器吸合，电路工作在降压充电装置，输出电压稳定在6.5V左右。继电器刚刚吸合时，由于电流较小，电流表量程较大，几乎没有示数。
可见，咱们研究高效太阳能充电系统可以在强弱光下都能给蓄电池提供一种稳定电压，对其进行充电，并且充电过程中功耗较小，这就克服了普通太阳能充电器在弱光下不能对蓄电池进行充电弊端，大大提高了太阳能运用率。
5. 应用前景
太阳能使用重要分为几种方面：家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等，应当说太阳能

* 电流表量程为0——100mA，蓄电池电压为6.5V
使用已经进入了咱们生活每一某些。
国内光伏产业正以每年30%速度增长。近来三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。按照日本新能源筹划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏筹划等推算，全球光伏发电并网装机容量将达到15GW（1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量1%），至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW（届时整个产业产值有也许突破3000亿美元），至2040年光伏发电将达到全球发电总量15%-20%。按此筹划推算，-2040年，光伏行业复合增长率将高达25%以上。其中并网应用会有较大发展，从而形成并网发电（约46%）、离网供电（约27%）和通讯机站（约21%）3个重要应用领域，光伏产业拥有较好发展前景。
世界上太阳能光伏广泛应用，导致了当前缺少是原材料供应和价格上涨，这样形势就更加需要咱们改进技术，提高太阳能使用效率。该系统通过电路设计对电压调节，不论在强光还是弱光下，都能运用光伏板对蓄电池进行充电，在很大限度上提高了太阳能运用率。此外，该系统还能运用到并网发电中，大大提高太阳能发电效率。
当前提出了低碳型社会，倡导清洁无污染能源，对太阳能运用势必会更加看重与增大投入。社会上已经浮现了以电力驱动交通工具，但由于蓄电池储存电能有限，当交通工具长时间处在运营状态时，半途对蓄电池充电成为很不以便因素，咱们太阳能充电系统不但能适时对蓄电池进行充电，并且由于她在较弱光强下也能对太阳能加以运用，减少了充电时间，扩大了其工作范畴，同步可以在交通工具工作时对蓄电池充电，大大提高了交通工具工作效率。
此系统对家庭小型太阳能发电装置等也很有现实运用价值。
综上所述，该系统应用前景是相称可观。
6．结束语
高效太阳能充电系统能相对不受光强限制，在强光和弱光状况下均能对蓄电池进行充电，提高了光能运用率。并且该太阳能充电系统不会对坏境导致污染，符合当今社会低碳潮流与规定。此外，经进一步研究和推广，该系统可以运用到诸多有关领域，为清洁新能源开发运用提供了参照。

参照文献
[1] 康华光，陈大钦，张林.《电子技术基本》. 高等教诲出版社.
[2] 孙超，郭勇，陈新.《独立光伏系统中太阳能充电器研究》.电力电子技术. 4月

附录：
1.系统工作原理图

图 10 系统工作原理图

2.高效太阳能充电系统实物图

图11 系统实物图一

图12 系统实物图二