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1、天津中德职业技术学院毕业设计 项目名称： 太阳能充电器 设 计 人： 韩 昭 所在院系： 电气与能源学院 专业年级： 11新能源1班 联系电话： 18202676371 指导教师： 张链 职称： 完成日期： 年 月 日目 录摘要. 1绪论. 2第一章 概述. 11.1 太阳能能源背景 . 11.2 太阳能电池国内发展状况. 11.3 太阳能电池的发展前景. 2第二章 设计目的及思路. 22.1 设计目的. 22.2 设计思路及分析. 22.3 设计框架图. 3第三章 太阳能充电器的主要构成部件. 43.1 太阳能电池板的介绍. 43.2 USB标准充电接口. 63.3 三端稳压集电路7805.
2、73.4 升降压电路LM-2557-ADJ.83.5 自锁六角开关. 8第四章 充电器电路图及工作过程分析. 114.1 充电器原理图. 114.2 太阳能电池板充电电路. 114.3 升压电路. 124.4 稳压电路. 13第五章 太阳能电池的主要参数及影响因素. 165.1 光伏电池的主要参数. 165.2 影响因素.175.2.1 光照强度对光伏电池转换效率的影响. 175.2.2 温度对光伏电池输出特性的影响. 17第六章 调试过程及结果. 186.1 电池板安装角度的计算与确定.18 6.1.1 最佳方位角的确定. 18 6.1.2 最佳倾角的确定.206.2 调试结果.21 6.3
3、样机充电实验数据图及其分析. .25第七章 总结. . . 26参考文献. 27摘 要21世纪，能源危机日益严重，积极寻找替代能源，开发节能技术尤为重要，作为新能源之一的太阳能，其电池的性能测试问题尤为受到关注。手机作为信息社会的一种通用商品，如今在世界范围内得到广泛的普及，而作为手机能源的提供者电池的储能总是十分有限，几乎所有的用户都曾遇到过外出或通话过程中电池耗尽的尴尬，尤其是对于经常在野外作业的用户来说，而太阳能作为一种可再生能源逐步在各个领域得到广泛应用。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。若能以太阳能电池组件为基础，设计出成本低廉的太阳能手机
4、充电器，直接完成太阳能辐射到电能转换，必然会为个人移动通信带来极大的方便。该设计主要完成了具有不同于目前市场销售的同类产品的太阳能手机充电器的设计工作。该充电器工作稳定、可靠，使用灵活。本文试图设计一种切实可行的太阳能充电控制器对手机充电。重点研究了用三顿稳压器7805实现太阳能充电控制技术。包括系统的硬件电路设计、各部分电路的功能、工作原理和电子元器件型号的选取。完成了整个太阳能充电控制器电路原理图的设计和制作。但是由于时间关系，太阳能手机充电器的外观及功能做的不是相当美好。本文还对太阳能电池的结构原理、太阳能电池板的伏安特性、常用的铅酸蓄电池原理及工作情况作了详细介绍，并在此基础上介绍常用
5、的蓄电池充电方法。关键词：能源危机；太阳能电池；三顿稳压器7805；太阳能电池测试绪 论太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能路灯、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等，太阳能是一种清洁的“绿色”能源，因此，世界各国都十分重视太阳能电池的研究和利用。近年来，各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程，学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而，传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路，测试过程中不但经常发生短路、
6、断路等现象，导致太阳能电池、光强计等设备的损坏，而且由于测试环境开放，测试时受到外界光源影响，导致最终测试结果不理想。为了解决传统实验中的弊端，本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接，并连出电路关键的测试点，方便实验时数据的测量；同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中，从而减少外界环境对实验的影响。本设计方案新颖，内容先进，着重从实际应用的角度出发，在比较传统太阳能电池性能测试实验的基础上，力求创新，兼容市场上使用较为广泛的非晶硅太阳能电池，具有很强的实用性。本设计共分7章：第1章主要是太阳能的概述；第2、3、4章主要是讲太阳能充电器的设计思路、主要构成部件和太阳能
7、电池原理；第5、6章主要是讲太阳能充电器电路图及工作过程分析和主要参数及影响因素；第7章则给出了调试的过程及结果。第1章 概述1.1 太阳能能源背景21世纪,新能 源和清 洁的可再 生能 源的开发将成为影响世界经济发展的技术领域,其中，太阳能能否在未来被充分的开发和利用已成为世界各国政府及科研机构必须面临的挑战，作为其中之一的太阳能发电技术，更是受到人们的普遍关注。未来，太阳能发电技术将被大规模的应用于各个行 业和领域，这都是因为太阳能发电具有许多其他能源无法具有的优点，其中就包括没有噪声，没有污染，不消耗燃料，不需要复杂的机械结构，不需要专门的看守人员，建造方便，维护方便，故障率低，规模可大
8、可小，不需要远程传输，可方便地与各种器械设施或建筑相结合等。近年来，太阳能电池发电技术在国际上飞速发展，例如，美 国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划，世界光伏市场开始由边远的农村和特殊应用向家用发电和大规模使用的方向发展，光伏发电已经由补充能源向替代能源转变1。我国的能源资源储量也面临着各种各样的危机。现已估算，我国的能源总量仅相当于为八千多亿吨标准煤，其中已探明的可开发能源总储量仅相当于一千三百余亿吨标准煤，约占世界能源总储量的百分之十左右，我国已探明的可开发能源总储量的结构为：原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水能占36.5%。这些能源储备仅能保证我国未来129年
9、的使用，这其中，原煤仅够114.5年的使用，原油仅够20.1年的使用，天然气仅够49.3年的使用。由上面的能源数据来看，我国的新能源开发问题已迫在眉睫，如何找到一种可源源不断，又没有污染的能源已成为必须考虑的问题。太阳能，作为满足条件的能源之一已备受人们的关注，以太阳能为动力的太阳能电池将是未来世界的主要能源之一。1.2 太阳能电池的国内发展状况1958年，我国开始对光伏技术的研究，主要的研究对象是p/n型单晶硅太阳能电池，1963年，我国的单 晶硅太阳 能电 池的光伏 转换 效率已达12.9%，当时的n/p型硅太阳能 电池光电转换效率比p/n型低，它主要的 目标是空 间应用。1969年，半导
10、体所停止了硅 太阳电池研发，随后，天 津18所为东方红二号、三号、四号系列地 球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。1971年我国制造的第一颗科学实验卫星使用的就是n/p型电池。在重点研究空间太阳能电池的同时，也开展了地面使用太阳能电池的开发。1998年，中国政府开始关注太阳能发电，拟建第一套3MW多晶硅电池及应用系统示范项目。近些年来我 国在“973”和“863”等重 大 项目中，也将太 阳能 电池的研究和发展放到了 非常关键的位置。在我国的国家“十 五”科 技攻 关计划中 重 点 提出对光伏技术项目的研究都有重大安排。从 2003 年起，我国太阳能电池产业增长加快，估计在近期还会有新的研究成果
11、出现，我国太阳能电池工业正进入了一个快速发展阶段。目前我国重点研究目标是对薄膜硅基太阳能电池的研究与应用，正大力发展太阳能电池发电计划，所以，未来我国的主要能源将由化石燃料逐步转变成清洁的太阳能。1.3 太阳能电池的发展前景时至今日，太阳能电池的发展仍存在很多局限性，例如生产成本高、运行效率低以及耐用性问题。但在未来随着技术和材料的创新，这些太阳能电池发电的不足都将被消除。最近，美国W.E.Spear公司开发了一种新型薄膜太阳能电池材料，其生产成本仅为传统单晶硅电池的百分之一，且发电能力稳定；近日，夏普公司宣布，他们已研发了一种太阳能电池转换效率达到43.5%，其刷新了太阳能电池转换效率为36
12、.9%的最高纪录，被称“展示了绿色能源的光明未来”。第二章 设计目的及思路 2.1 设计目的 随着通信技术的迅猛发展，化石能源被日益消耗甚至即将面临枯竭，全球能源问题日益严重。另外人们的环境保护意识越来越强烈，寻找各种清洁能的源来代替化石能源变得尤为重要。太阳能作为一种可再生资源有取之不尽用之不竭的有点，并且清洁安全。因此太阳能有着广泛的应用前景。 如今是信息化大爆炸的时代，手机早已经走进了千家万户。然而当人们出门旅行时，手机充电不方便始终困扰着大家。因此设计一种太阳能充电器对于用户来说既方便又节能。人们可以随时随地对手机充电啦！本课程设计介绍一种太阳能充电器，将太阳能经过电路转换为稳压电源给
13、手机充电，与常规的充电器相比有着明显的优势。即方便快捷，又节能环保。2.2 设计思路和分析 太阳能充电器，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，整个系统由太阳能电池板、升压电路、稳压电路等组成。本设计采用太阳能电池板对肖基特二极管进行供电，经升降压变换输送到三端稳压器，使其可以提供各种手机充电所需的电压对手机进行充电。设计了具有可调电阻的太阳能充电电路，对手机充电时所需的电压大小进行调节。2.3 框架图 此太阳能手机充电器是利用光生伏特效应将光能转换成电能，其电能通过稳压器可直接给手机电池充电，也可将电能储存于蓄电池，在无太阳能时对手机充电。其基本框图如下：图 21 太阳能电池板在使用的
14、时候，由于太阳光线的变化，温度的大小等因素，导致其输出电压不稳定，输出电流小。所以必须利用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后方可供给手机充电。在光线条件适宜的时候，通过太阳能电池板吸收太阳光，就可以将光能转换为电能。第三章 太阳能充电器的主要构成部件3.1 太阳能电池板部分 太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，而如今便携式数码设备种类较多，所需电压电流各不相同。对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，但是又不方便携带。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合，使其具有一定要求的输出功率和
15、输出电压。本文以手机、MP3等常用小功率用电设备为例，简述其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下： 尺寸为120mm45mm，峰值电压为6V，峰值电流为100mA，标称功率为0.6W。同时考虑到被充电电池的电流不同，所需充电时间也就不同，故采用相同参数光伏组件进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为7.2V,电流最大可达1200mA，总标称功率为8W左右,实际输出可根据不同的充电对象进行平滑调整。太阳能光伏电池板的工作原理如下图3-1所示，当光波照射到半导体表面的时候，半导体内部N区和P区中的价带电子由于受到太阳光子的冲击，吸收太阳能量发生能级跃迁激发导带，从而产生了
16、许多处于非平衡状态的电子一空穴对。由于PN结电场的存在，这些电子（空穴对）运动到PN结区产生分离，其中正电荷和负电荷分别聚集从而产生了与PN结势电场相反的光生电场，当接通外部电路环路时，电子（空穴对）的运动产生直流电流，从而对外输出电能。因为单个PN结产生的光生电势比较小(约0.7V左右)，在实际应用中，多将许多个小的太阳能光伏电池单元通过串联或者并联组合在一起构成光伏电池组件，所以可以输出更大的电能。图 3-2显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的 I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。但是，在某一时刻，通过内部二极
17、管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流 (ISC)，它与 VOC 都是决定电池工作性能的主要参数。因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。 图3-1太阳能光伏电池工作原理图3-2太阳能电池I-V特性在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大的电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP
18、)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图 3-3）。实践中的问题在于，太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。图3-3太阳能电池板输出特性3.2 USB标准充电接口 欧美已采用microUSB作为手机充电
19、器标准从明年开始microUSB将作为手机充电器生产的标准，目前欧盟委员会已经批准了14家领先手机厂商达成的一项协议，同意采用microUSB手机充电器标准，这应该会在未来使充电器可在一系列广泛的设备中兼容使用。通用的充电器将让消费者的生活变得更加轻松，还能减少浪费和让企业从中受益，这确实是一种双赢的作法。欧盟委员会负责产业与企业事务的委员安东尼奥塔加尼(Antonio Tajani)发表声明称：“我对欧盟标准化机构已经满足了我们有关开发通用手机充电器所必需的技术标准的请求感到十分高兴，现在轮到手机行业来证明其出售用于这种新充电器的手机的承诺。有关采用通用充电器标准的努力始于2009年，其目的
20、不仅是让消费者生活变得更加轻松，同时也是为了减少浪费，原因是通用标准将使手机用户在购买新手机后不需要再去寻找足够适配的充电器。 支持采用这种新标准的14家公司分别是苹果、Emblaze Mobile、华为、LGE、摩托罗拉移动、NEC、诺基亚、高通、RIM、三星、索尼爱立信、TCT Mobile、德州仪器和Atmel。首批使用这种新标准生产的产品已经在2011年上半年在欧洲上市。图3-4microUSB接口表3-1 Micro USB接口定义PIN名称线的颜色描述1VBUS红电源+5V2D-白数据负3D+绿数据正4ID无A类：接地 B类：悬空5GND黑信号地3.3 三端稳压集成电路7805 电
21、子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
22、 注意事项：在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在 输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 图35 三端稳压集成电路7805在78 * 、79 * 系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附
23、图所示。 从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78*正压系列，脚高电位，脚接地，；对与79*负压系列，脚接地，脚接负电压，输出都是脚。如附图所示。 此外，还应注意，散热片总是和接地脚相连。这样在78*系列中，散热片和脚连接，而在79*系列中，散热片却和脚连接。3.4 升降压电路LM-2557-ADJ模块参数:尺寸：92(长)*49(宽)*23(高) mm(不含电位器)模块性质：非隔离升压模块（BOOST）输入电压：3-34V输出电压：连续可调（4-35V）输出电流：2.5A(MAX)输入电流：3A (MAX)输出功率：自然冷却15W，加散热片25W（MAX
24、）实际功率最大输出功率=输入电压*3A*转换效率满载温升：45空载电流：典型15mA(5V转12V)负载调整率：0.5%电压调整率：0.5%动态响应速度：5% 200uS短路保护：无（请在输入加装保险丝或保护电路）输入反接保护：无，请配合我们的反接保护板 或在输入串联二极管。模块图片：图 36应用范围：1）DIY一个移动电源，只需要在输入接一节电池供电，就可以输出4-35V电压为您的手机、MP3、MP4、PSP充电等许多设备供电，非常简单方便。2）升压充电器，您可以用2节AA电池或锂电池为您的4-35V的设备充电。3）为您的电子设备供电，当您的设备需要4-35V供电的时候，然而您现在手里只有节
25、锂电池供电，用我们这个模块可以直接升压到4-35V，解决您的困扰。4）.系统前级供电，当您在做某个项目的时候输入供电电压低于您需要的电压（4-35V）的时候，那您选我们这个模块将是您最好的选择，不用调试直接上机即可工作，轻松做到高效大功率升压。3.5 自锁六角开关在继电保护回路中，对有相位要求的电流回路，一般用电流相量六角图来判断电流回路接线是否正确。从电流相量六角图可以直观反映出：同一组电流互感器三相电流 IA、IB、Ic 之间的关系；差动保护中不同组别电流互感器的电流之间的关系；阻抗或方向元件的电流和电压之间的相位关系。同时也可判别电流互感器变比是否正确。1）原理功率表法的原理是用被测电流
26、在已知电压相量上的投影来判断被测电流的方向和大小是否正确。在相量图中，被测电流在一个电压相量上的投影，可以确定该电流相量端点的轨迹；在两个电压相量上的投影，可以确定被测电流相量端点的位置(即电流的相位和大小)；在第三个电压相量上的投影，可以检查试验结果的准确性。2）试验接线和试验方法将被测电流 IA 按规定极性接人功率表的电流端子，再将同一系统的电压Uab、UBc、Uca 按规定极性依次接入同一功率表的电压端子，分别读取 Uab、Ubc、Uca 电压下的功率表的“读数”。为简化起见，该读数一般不必记录实际功率值，而以功率表指针偏转的格数表示为电流的“大小”，以功率表切换开关的方向表示为电流的“
27、正负”。之后，再依次将 IB、Ic 接入功率表重复上述试验。图37 自锁六角开关 图38 供电开关原理图如图38所示 开关自锁键未按下时连接的是一边；按下自锁键后连接的是另一边。连接电路时中间的引脚一般都选择接入VCC。 第四章 充电器电路图及工作过程分析4.1 充电器原理图图41 太阳能充电器原理图4.2 太阳能电池板充电电路图42 太阳能电源板充电池电路电路分析：太阳能电源板在空载时发电电压有6V之高，但受发电功率的影响他提供的电流很小在33mA左右，33mA的电流对D9没有构成安全威胁。1) 电源板电压6V,电池电压3.7V。 太阳能电源板的功率很低，太阳能电源板跟电池连接充电的电路一定
28、要简单，否则会造成转换效率很低，失去了太阳能的意义。本电路选择直接通过低压降的肖特基整流2极管D9连接升降压，这是最简单的连接方式。这时D9的电流还是很小功耗很低，D9可以顶得住。2)在D9肖特基整流2极管上耗散的功率计算。太阳能的平均输出功率在200mW左右，D9的压降在0.4V左右，则D9上的功耗是：P=0.4V/（0.4V+3.7V）X0.2W=0.02W，在安全的范围内。4.3升压电路图4-3升压电路图这是一个“Boost开关电感升压电路”， 把1.2v升压到5v以上。其基本原理是根据Boost升压斩波结构来进行升压变换，下面讨论一下Boost的变换原理。 图4-4 Boost升压斩波
29、变换结构图已知条件： Ui是稳定的直流电源，L是电感有储能作用，S是开关管， VD是整流2极管，C是滤波电容，RL 是负载电阻。 图4-5开关S的PWM控阵波形从能量守恒角度分析Boost升压斩波原理： 当始状态前S断开、L的电流稳定了，IL=Ui-UVD/RL,消耗功率为：P=Ui.IL ;当S闭合时，IL沿着充电曲线上升，Ui输出功率变大。S再断开，电流开始下降，但总是大于或等于I0，输出功率变大、负载不变则输出电压和电流都应该变大，这就是他的升压原理。电流、电压定律分析Boost升压斩波过程：初始状态开关S断开的时候，Ui通过L-VD-C/RL形成回路，稳定时UC=Ui，L的初始电流大小
30、I=Ui/RL。开关S导通的时候Ui通过L-S形成回路， L被短路后沿着电感充电曲线从I=Ui/RL充电、由于S的开关频率很高可以认为是线性充电的，则根据基尔霍夫电压定律得：Ui=UL=L dI/dton （左正右负），则dI=Ui ton/L . VD反向截止，Ui不再向C提供能量，电容C上的能量通过RL 放电，电压有所下降。这时UcI），电容C的充电比耗电大，Uc电压得到了升高。4.4稳压电路图4-6稳压电路三端集成稳压器的原理:集成稳压电路是现代电子仪器、设备所必需的部件。集成稳压电路就其工作原理可分为串联型稳压电路和开关型集成稳压电路。而每类集成稳压电路又有许多种型号，特别是DC-DC
31、变换方式的不同，使开关稳压源又分为多种（变压器反激式DC-DC变换器、降压式DC-DC变换器、升压式DC-DC变换器）。下面我以三端式串联稳压源为例做一简单的介绍：串联式稳压源实际上是由具有电压负反馈的直流放大器构成的。其电路框图如下图所示：图4-7 三端稳压器7805方框图与实物图稳压过程如下：当输出电压v0 增高时取样电压vs也增高。vs与VR基准电压之差增大,误差比较管输出的倒相电压增大，使调整功率放大器输出电流减小，即调整功率放大器两端电压增大，从而v0输出电压下降，也就是说v0基本不增加，实现了稳压作用。由以上可见串稳型稳压源调整功放两端有一定直流电压，由流过相当于负载电流的直流电流
32、，所以调整功放电路消耗较大功率。这不仅使调整功放易发热损坏（如果不是调整功放电路过热，需选允许功耗大的器件）。而且效率很低，造成电能的浪费。所以这种稳压源适于需用较小电流（小于数百mA），输出电压较低（数十V以下）的场合。这种电源使用较简便，而且对周围电路产生的干扰噪声较小。此图中稳压电路其实由三端稳压器7805芯片构成，电流经整流桥将交流电转变成直流电，由于太阳能电池板吸收光能后转变成的电能为直流电。所以整流桥在此套系统中作用不大，下面举一实例详细介绍下7805的作用。下图是极为常见的一个线性三端稳压器扩流图48电路工作原理电阻R的大小R的大小对调整通过7805的电流有很大的关系,取不同的值
33、带入上式即可看出.R越大,则输出同样的电流的情况下流过7805的电流要小些,反之亦然.通常这样的电路中,对于扩流三极管TIP32加散热片,而对于7805则无需要,但是R的值不能过大,其条件是:. 电路中7805输入端的电容的取值往往会出现错误,主要原因是会造成浪涌,在上电的瞬间输出远大于5V,对后续电路造成损坏.实际使用的时候,为了抑制7805的自激振荡,此电容通常取0.33uF(多数常见的spec.均推荐此参数第五章 太阳能电池的主要参数及影响因素5.1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
34、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 （5-1） 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5-1中表示如下。图5-1太阳能电池的I-V特性关系曲线 图5-1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
35、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5-2可表示太阳能电池的P-V曲线。从图5-1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
36、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5-1。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。 5.2影响因素 5.2.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图5-2、图5-3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5-4可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率
37、点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(5-1)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5-3中虚线与各实线的交点所示。图5-2不同日照下的I-V关系曲线图 图5-3不同日照下的P-V曲线图5.2.2温度对光伏电池输出特性的影响图5-4，图5-5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5-5中各实线的波
38、峰的幅值变化。 图5-4不同温度下的I-V特性曲线 图5-5不同温度下的P-V特性曲线 综上所诉，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 Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。第六章 调试过程及结果6.1电池板安装角度的计算和确定太阳能电池阵列是一种能够吸收太阳光并将其转化为电流的半导体装置。为了更加充分有
39、效的利用太阳能，如何选取太阳能电池板的方位角和倾斜角是一个十分重要的问题。按照不同的使用情况，阵列倾角有着不同的要求。对于并网系统及极少数应用领域，希望方阵全年接受到的辐射量最大，因而可取方阵倾角接近于当地纬度，而对于应用最广的独立光优系统，则有其特殊的要求。本文以在天津这座城市安装太阳能电池板为案例，对其安装角度进行计算。6.1.1最佳方位角的确定对于全天无阴影遮盖的太阳能电池阵列，如果其倾角固定，则必然存在一个能够独得全天最多太阳总辐射能的最佳朝向，即最佳方位角。由于太阳总辐射中的散射部分与阵列朝向无关，所以只需要考虑阵列上太阳直射辐射强度随阵列面朝向的变化即可。由文献可知投射到某一阴影遮
40、盖的全天太阳能直射辐射能量ED的计算公式如下： 其中ts2当地太阳时日出时间 CN大气透明系数，随地区而异 太阳高度角 b阵列倾角 ZS太阳方位角ZC阵列正向与正南向的夹角A、 B的逐月数据见表表6-1 A、B的逐月数值月份AB月份AB11.2300.14271.0850.20721.2130.14481.1070.20131.1860.15691.1520.17741.1350.180101.1920.16051.1040.196111.2200.14961.0880.205121.2330.142 假设该计算日内天空云况恒定，即CN值不变，为了求Zc的最佳值，我们将ED对Zc求导得： 因为 所以我们可将积分变量由ts转化成太阳时角H，得到： 式中，H1为日出时间对应的太阳时角；H2为日落时间对应的太阳时角。令，根据太阳时及太阳时角的定义，式中的积分区间H1,H2关于原点对称，太阳方位角的余弦函数cosZc是太阳时角H的偶函数4；正弦sinZs是太阳时角H的奇函数3，因此的最佳值为06.1.2最佳倾角的确定在确定阵列的最佳方位角以后，还有另一个重要的参数需要确定，那就是阵列的最佳倾角。阵列的倾角不仅跟太阳的直射辐射有关，而且跟太阳的
