001--光电0913 占孝洪-太阳能充电器.docx

福建信息职业技术学院毕业设计（论文）题目：太阳能充电器系另U：电子工程系专业：光电子技术班级：光电0913学号：0901051312姓名：占孝洪指导老师：陈世伟书目论文摘要3第1章绪论31.1 课题背景31.2 光伏发电现状41.21 国内外技术现状41.22 2光伏路灯限制技术现状41.3太阳能电池原理41.4太阳能电池种类51.4. 1单晶硅电池51.4.2多晶硅电池51.4.3非晶硅电池51.4.4其他太阳能电池5其次章方案选择及单元电路的设计62.1方案选择及方框图62.1.1方案选择62.1.2充电总体方案62.2主要元器件的介绍62.2.1关于Mc3406362.2.2内部电路及原理72.2.3Mc34063的典型应用线路82.2.4用MC34063制作降压型变换电源制设计思路92.2.5降压电路10结论10致谢10参考文献11论文摘要化石能源的日益枯竭、人们对环境爱护问题的重视程度也在不断提高，找寻干净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和干净平安灯特点，因此有着广袤的应用前景，光伏技术也越来越受到人们的关注，醉着光伏组件的价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将渐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。运用手机的人都有过这样的经验，玩出或旅游时电池突然没电了，特殊是在火车汽车轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成了信息沟通的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为解决这个问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，依据太阳能电池的光伏特性限制光电池的输出电压以便对蓄电池进行有效充电。关键词：太阳能、蓄电池、光伏发电、充电第一章绪论1.1 课题背景能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。自20世纪70年头的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机燃眉之急。从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仪表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对牛态环境的污染破坏：大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨。而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾难频繁。常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。这些问题最终将迫使人们变更能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生干净能源，实现可持续发展。虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最志向的可再生能源。太阳能利用辛要有光热利用和光伏发电利用这两种主要形式。我国低温光热利用己经具有可观的规模，相关技术探讨也比较成熟。光伏利用近期在世界范围内高速发展，所谓“光伏发电”是干脆将太阳光转换为电能的一种发电形式。光伏发电具有取之不尽且无污染等优点，日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。光伏发电的照明路灯应月J具有节能性、经济性和实川性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。本课题为研制一套独立光伏电源限制器，廊州于1.ED路灯照明系统。通常独立照明系统由太阳能电池、蓄电池、充放电限制器和负载1.ED组成。由于系统的稳定性严格受到蓄电池和1.ED寿命的影响，本课题研制的充放电限制器通过实时监测系统允放电回路的相关信息，确定相应的允放电策略，实现了稳定太阳能电池输出、优化蓄电池充电方法和爱护蓄电池及负载的目的，最终提高了太阳能电池的利用率和整个照明系统的牢靠性。1.2 光伏发电现状1.21国内外技术现状太阳能是用之不尽的清洁能源，当今世界各国特殊是发达国家对光伏发电特殊重视。2008年世界太阳能光伏发电装机总容量达到5.6Gwo目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观好用等方向发展。专家们预料到2050年,太阳能光伏发电在发电总量中将占13%.15%,到2100年将约占64%。我国光伏组件生产实力逐年增加，装机容量逐年增加，2007年累计容量达100MWo2005.2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/(kwh)；20102020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kwh).到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。光伏路灯限制技术现状光伏电源路灯限制器是光伏发电系统进行限制和管理的设备。在欧美、日本和美国，并网发电技术已经相对完善，对于光伏电源限制的探讨主要集巾在改进逆变器的拓扑结构，优化限制策略，孤岛效应的检测和解决、降低系统能耗，提高系统Jr作效率等问题上。国内具有代表性的光伏发电系统专用逆变器制造商有合肥阳光、北京日佳、北京自动化探讨院、北京恒电、南京冠n、北京计科等企业。中科院电工所、北京自动化探讨院、北京索英、北京日佳、北京计科等氽业开发出的并网逆变器都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。在独立光伏发电系统中，电源限制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设设备的充电和对负载的放电任务。目前日本、德国、美国等发达国家外对于独立光伏系统电源限制器的探讨辛要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池允电策略和提高系统稳定性。通过探讨不同的电路拓扑结构和先进的限制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载变更的状况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态，即实现最大功率点跟踪(MPPT)。蓄电池允电策略干脆影响到蓄电池的寿命，探讨智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，削减充电时问，对于整个光伏系统的工作状况具有重要意义。独立光伏系统的虑川环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前全部光伏电源限制器探讨者最急需解决的问题之一。然而，现已研制出来的光伏电源限制器还存在很多急需解决的问题。事实上，在MPPT技术的运用和蓄电池充电策略的优化之问存在冲突冲突，能源利用效率较低，蓄电池充放电方式的不合理，对蓄电池的爱护不够充分，这些都是目前市场上电源限制器普遍存在的问题。为了对太阳能光伏资源进行全面的开发和利用，限制器的稳定性和牢靠性也有待进一步提高。1.3太阳能电池原理太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应干脆把光能装化成电能的装置。太阳能在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电场的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电干脆转换方式。1.4太阳能电池种类太阳能电池种类依据所用材料的不同，太阳能电池可分为多种类型。由于硅太阳能电池技术相对较成熟，半导体材料的禁带不是太宽，光电转换率较高，材料本身不造成污染，所以硅是目前最志向的太阳能电池材料。以其他材料为基础的太阳能电池也正在研制和20098128P新能源专题年第期发展过程中。太阳能电池按硅材料的结晶状态不同可分为结晶硅系薄式和非结晶硅系膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。单晶硅电池单晶硅太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。单晶硅太阳电池板使由很多由单晶硅棒切成厚约0.3mm的圆薄片，再经抛磨、掺杂、扩散、烧结、成型等步骤制成的单体片，用串联或并联的方法构成的，可输出肯定的电压和电流。用户也可依据详细要求将太阳电池板组成各种大小不同的太阳电池方阵，也称太阳电池阵列。目前，单晶硅太阳电池是开发得最快的一种太阳电池，技术最为成熟，光电转换率为15%左右，运用年限较长，单晶硅太阳能电池广泛用于道路照明、交通信号等室外照明中处所。但由于单晶硅太阳电池的生产须要消耗大量的价格昂扬的高纯硅材料，制造工艺繁琐，损耗大，造成单晶硅成本价格居高不下，阻碍了单晶硅太阳能电池的发展，现在正在渐渐被多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池等取代。多晶硅电池目前多晶硅太阳电池运用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为100300Cm的多晶块料或单晶硅头尾料，经破裂、掺杂、扩散、熔化冷却定型后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和便利组装。多晶硅薄膜电池由于所运用的硅比单晶硅少很多，不存在效率衰退等问题，而且有可能在廉价衬底材料上制备。多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅电池，光电转换率近20%,高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池将有望成为太阳能电池的主导产品。多晶硅太阳能电池在室外照明中的应用将越来越广泛。因为一般晶体硅太阳电池单个只有0.5V左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳能电池可达2.4Vo目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右,且不够稳定,常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。非晶硅电池非晶硅太阳电池是1976年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同。非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式，或采纳集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。由于非晶硅太阳电池的结构多样化，因此制造非晶硅太阳电池的方法也有很多种。非晶硅薄膜太阳能电池制作简洁，硅材料消耗很少，重量轻，电耗低，成本较低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得以快速的发展，光电转换率在14.5%以上，但稳定性较差。提高转换率稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。目前，非晶硅电池在低功率电力系统中应用较多。其他太阳能电池纳米晶化学太阳能电池：纳米晶化学太阳能电池是新型太阳能电池，目前仍在研制过程中，其中纳米晶TiO2太阳能电池倍受关注。纳米晶TiO2太阳能电池光电效率在10%以上，制作成本为硅太阳能电池的l5l10,寿命可达到20年以上。2）聚合物多层修饰电极型太阳能电池：原材料为有机材料，柔性好,制作简洁，材料来源广泛，成本较低。性能和寿命远不如硅电池，但有可能供应廉价电能。此项探讨刚刚起步。3）多元化合物薄膜太阳能电池：有些金属化合物如硫化镉、础化镉多晶薄膜电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会造成严峻污染，因此，不能开发应用。其次章方案选择及单元电路的设计2.1 方案选择及方框图方案选择太阳能电池板的输出端接上稳压电路，将电压稳定到4.2v左右，然后给给电路板上的大容量锂电池充电，在锂电池的输出端接上升压电路，输出有两种，一种是USB接口的，可以给手机或者MP3等可以利用USB线进行充电的用电器进行充电；其次种是干脆给手机锂电池充电。同时输出连续可调，可为不同类型的锂电池，手机或者MP3进行充电。由于太阳能电池板和稳压电路以及电路板上的锂电池一干脆通着的，因此只要有一点阳光，都可以为电路板上的锂电池充电，从而保证该锂电池始终处于饱和状态。当阳光不足的时候，也可以用5.Ov的USB充电器或者电脑USB接口给电路板上的锂电池充电。充电总体方案2.2 主要元器件的介绍关于Mc340631DC/DC变换器限制电路1）34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流直流变换器限制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源一个占空比周期限制振荡器，驱动器和大电流输出开关能输出1.5A的开关电流，它能运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，2）34063的封装形式为塑封双列8引脚直插式2特点能在3.04OV的输入电压下工作短路电流限制低静态电流输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）输出电压可调工作振荡频率从100HZ至100KHZ可构成升压降压或反向电源变换器内部电路及原理Mc34063内部结构框图和引脚排列如图1所示。该器件由基准电压源、电压比较器、振荡器、RS触发器和开关晶体管等组成o其各引脚定义如下：1脚：开关管Tl集电极引出端；2脚：开关管TI放射极引出端；3脚：定时电容C接线端；调整C可使工作频率在100100kHz范围内变更；4脚：电源地；5脚：电压比较器反相输入端，也是输出电压取样端；6脚：电源端；7脚：电流取样端；6,7脚间电压超过30OmV时，芯片将启动内部过流爱护功能；8脚：驱动管Q2集电极引出端。电路原理振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形充电和放电电流都是恒定的所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平常为高电平当C和D输入端都变成高电平常触发器被置为高电平输出开关管导通反之当振荡器在放电期间C输入端为低电平触发器被复位使得输出开关管处于关闭状态电流限制Sl检测端（5脚）通过检测连接在V+和5脚之间电阻上的压降来完胜利能当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时电流限制电路起先工作这时通过CT管脚（3脚）对定时电容进行快速充电以削减充电时间和输出开关管的导通时间结果是使得输出开关管的关闭时间延长Mc34063的典型应用线路图2降压变换图3升压变换潜（大电流图4降压变换瑞（大电流图5反向变换器用MC34063制作降压型变换电源制设计思路1）、比价器的反相输入端（5脚）通过外界分压电阻Rl、R2监视输出电压。其中，输出电压UO=I.25（1+R2/R1）,由公式可知输出电压仅与Rl、R2数值有关，因为I.25V的基准电压恒定不变,若RI、R2阻值稳定，则UO也稳定。2）、5脚电压与基准电压1.25V同时送入内部比较器进行电压比较。当5脚的电压值低于内部基准电压1.25V时，比较器输出为跳变电压，开启R-S触发器的S脚限制门，R-S触发器在内部振荡器的驱动下，Q端为“1”状态（高电平），驱动管T2导通，开关管Tl也导通，使输出电压Ui向输出滤波器电容Co充电以提高Uo,达到自动限制Uo稳定的作用。3）、当5脚的电压值高于内部基准电压（I.25V）时，R-S触发器的S脚限制门被封锁，Q端为“0”状态（低电平），T2截止，Tl也截止。4）、振荡器的IPk输入（引脚7）用于监听开关管Tl的峰值电流，以限制振荡器的脉冲到R-S触发器Q端。5）、3脚外接振荡器所须要的定时电容CO电容值的大小确定振荡器频率的凹凸，也确定开关管Tl的通断时间。降压电路0.33Dc-dc降压电路当输入电压9v到12v是输出3.5v到4.2v,然后给蓄电池充电结论该充电器体积较小，效率较高，主要优点就是可以干脆利用太阳能进行充电,很好地解决了野外旅行时手机、MP3等数码产品充电的问题。同时也供应了其他为电路板上锂电池充电方式，使该充电器好用性更强。但是整个电路也存在着一些瑕疵考虑的状况还不够多，但是我信任以后不断地努力会有进步的。在这次的做板过程中与遇到了前所未有的困难，最终在老师和同学的帮助下还是解决了。在这里我特别感谢帮助我的老师和同学。致谢本课题在选题及探讨过程中得到陈世伟老师的悉心指导。老师多次询问探讨进程，并为我指引迷津，老师多次询问探讨进程，并为我指引迷津。在此，我还要感谢我们组员和其他同学在他们的共同帮助下，我才完成了毕业设计。过这次毕业设计，是我得到了一次用专业学问、专业技能分析和解决问题全面系统的熬炼。从中自己学道了很多东西在设计思路技巧的驾驭方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。不积陛步何以至千里,本设计能够顺当完成。参考文献1邓长生太阳能原来应用2王连英,张永生，模拟电子技术3基于MC34063的斩波形开关电源的典型设计与探讨。4冯垛生.太阳能发电原理与应用M.人民邮电出版社,2007