高效太阳能充电系统的研究应用

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 AbstractWe 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V1Vin1.4V，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2Vin1.4V ，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。