太阳能收集充电器的设计.docx

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太阳能收集充电器的设计

太阳能收集充电器的设计

摘要

近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。

据预测，到下世纪中叶，可在生能源在世界能源结构中将占到50%以上。

更值得一提的是，太阳能电子产品将以强势的姿态进军电子市场。

本文设计了一款基于DC/DC变换器为核心的太阳能收集充电器。

设计共分为五个章节，第一章，阐述了本设计的背景知识——太阳能利用和充电电池的相关知识，包括人类对太阳能的利用历史，我国对太阳能利用的情况，太阳能电池的相关知识、充电电池的类型，和应该选择哪种类型的太阳能电池、哪种充电电池，使我们对太阳能利用及充电电池有初步的印象，为设计太阳能收集充电器做知识储备。

第二章，定下设计的总体方案，预先构思出充电器的整体结构框架，以及对方案的分析。

第三章，按照预定的结构框架图，将退耦电路，DC/DC升压电路，升压输出滤波电路，恒流充电电路，终止充电指示电路和检测电路定时供电电路，总共六部分模块电路进行逐一设计，并详细说明其结构功能和元件参数的计算与确定。

第四章，将各个模块电路进行整合，设计出整个电路图。

第五章，进行初步的功能测试，经过测试，在太阳能电池实际产生3.1V电压的情况下，DC/DC升压电路能将3.1V电压升至5.5V，用恒流充电的方式给充电电池充电，其工作效率可以达到72.5%左右。

关键词：

太阳能，DC/DC变换，恒流

Summary

Thepast30years,solarenergyutilizationtechnologiesinresearchanddevelopment,commercialproduction,marketdevelopmentaspectshavegainedconsiderabledevelopment,becometheworld'sfast,stabledevelopmentofemergingindustries.Includingsolarandrenewableenergyinthenextcenturywillbeanunprecedentedpace,andgraduallybecomeoneofmankind'sbasicenergy.Itispredictedthatthenextcentury,theworldinrenewableenergywillaccountfor50%oftheenergymixover.Itisworthmentioningthatsolarenergywillbeastronggestureofelectronicproductsintotheelectronicsmarket.

BasedonthisdesignaDC/DCconverterforthecorecollectionofsolarcharger.Designisdividedintofivechapters,chapteronthebackgroundofthisdesign-solarenergyandrechargeablebatteries,relatedknowledge,includingthehistoryofhumanuseofsolarenergy,solarenergyutilizationinChinaonthesituation,knowledgeofsolarcells,rechargeablebatterytype,andshouldchoosewhattypeofsolarcell,whichchargebatteries,solarenergyweuseandrechargeablebatterieshaveaninitialimpressionofthechargerforthedesignofsolarcollectorstodotheknowledgereserves.Thesecondchapter,settheoverallprogramdesign,pre-conceivedframeworkoftheoverallstructureofthecharger,aswellasprogramanalysis.ChapterIII,inaccordancewiththepredeterminedstructureframeworkplan,thedecouplingcircuit,DC/DCstep-upcircuit,boosttheoutputfiltercircuit,constantcurrentchargingcircuit,terminatingthechargingindicatorcircuitanddetectioncircuitregularpowersupplycircuit,atotalofsixpartsofthemodulecircuitforeachdesign,anddetailsoftheirstructure,functionandcomponentparametersofthecalculationanddetermination.ChapterIV,theintegratedcircuitmodulestodesigntheentirecircuit.ChapterV,apreliminaryfunctionaltest,aftertesting,theactualproductionofsolarbatteriesunder3.1Vvoltage,DC/DCstep-upcircuitcan5.5Vto3.1Vvoltagetochargebatteries,itsefficiencycanbeachievedabout73.2%.

Keywords:

solar,DC/DCtransformation，Constantcurrent

前言

从有人类历史以来，人们对于太阳的崇拜就没有停止过，太阳给予人们光明的同时，也给予人们取之不尽的能源，从古至今人们一直在努力研究利用太阳能。

我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。

其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。

因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。

再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。

正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。

特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。

从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。

1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：

从每瓦50美元降到了5美元。

此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。

目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。

在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。

美国计划将其盐湖的8．3％面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。

今年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。

该电站使用的涡轮机不是新的，而是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机，装机容量仅100千瓦，但发电成本仅0．5美分／千瓦小时，效率高达40％—50％。

　　俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。

一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。

按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。

另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。

由此看来，全人类梦寐以求的太阳能时代实际上已近在眼前，包括到太空去收集太阳能，把它传输到地球，使之变为电力，以解决人类面临的能源危机。

随着科学技术的进步，这已不是一个梦想。

由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站，最近将在太空组装，不久将开始向地面供电。

第一章太阳能的利用和充电电池概述

1.1太阳能利用进程

根据史料记载，将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史，而人类利用太阳能已有3000多年的历史。

真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。

　　第一阶段（1900~1920年）

　　20年来，太阳能动力装置仍是世界上太阳能研究的重点，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，虽然实用目的比较明确，但造价仍然很高，不能大规模使用。

在此期间，所建造的典型的装置有：

1901年，一台太阳能抽水装置在美国加州建成，采用截头圆锥聚光器，功率：

7.36kW；1903~1907年，五套双循环太阳能发动机在美国建造成功，采用平板集热器和低沸点工质；1914年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，总采光面积达1250m2。

　　第二阶段（1920~1945年）

在这20多年中，世界各国对矿物燃料的大量开发利用以及发生了第二次世界大战（1935~1945年），导致了太阳能研究工作进入低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。

第三阶段（1945~1965年）

　　1945年到1965年正好是在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，并且呼吁人们重视这一问题，成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，终于再次兴起太阳能研究热潮。

这一阶段中，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：

1946年，美国贝尔实验室研制成的实用型硅太阳能电池为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等研制成实用的黑镍等选择性涂层，并在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，为高效集热器的发展创造了条件。

除此之外，还有其它一些重要成果，比较突出的有：

1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。

1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨——水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。

1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机的成功研制。

在这一阶段里，在太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上等太阳能相关技术上，取得了重大突破，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究。

平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。

太阳能吸收式空调的研制取得重大进展，从而建成一批实验性太阳房。

初步研究了难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术。

　　第四阶段（1965~1973年）

　　这一阶段，对太阳能的研究投入并不大，而且太阳能的研究工作处于停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，有许多难题不能解决，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

　　第五阶段（1973~1980年）

　　石油仍世界能源结构中担当主角，世界各国快速的工业发展，对石油的需求更加扩大，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，西方国家对石油的掠夺也进一步加深，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。

其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。

于是，西方一些人惊呼：

世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。

这次“危机”在客观上使人们认识到：

现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。

从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。

1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。

日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：

太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。

为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。

70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。

一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用。

1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。

这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。

一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。

当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。

这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：

　　许多国家制定了近期和远期阳光计划，各国加强了太阳能研究工作的计划性。

开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。

国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。

　　研究工作日益深入，研究领域不断扩大，取得一批较大成果，如真空集热管、CPC、非晶硅太阳电池、太阳能热发电、光解水制氢等。

　　要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能是在各国制定的太阳能发展计划中普遍存在的问题。

例如，美国曾计划在1985年建造一座小型的太阳能示范卫星电站，1995年建成一座空间太阳能电站年发电量达到500万kW。

事实上，后来对这一计划进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。

　　太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。

　　第六阶段（1980~1992年）

　　70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。

世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。

导致这种现象的主要原因是：

世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。

受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：

太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。

虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。

这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。

第七阶段（1992年~至今）

由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。

在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。

这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。

世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。

1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》在（1996~2010年）制出，明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。

这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。

1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996~2005年），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。

这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。

1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：

太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。

通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。

太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。

这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。

尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。

1.2太阳能利用最新进展

目前国际上已经从晶体硅、薄膜太阳能电池开发进入了有机分子电池、生物分子筛选乃至于合成生物学与光合作用生物技术开发的生物能源的太阳能技术新领域。

　　日前从上海市科委获悉，华东师范大学科研人员利用纳米材料在实验室中成功“再造”叶绿体，以极其低廉的成本实现光能发电。

　　叶绿体是植物进行光合作用的场所，能有效将太阳的光能量转化成化学能。

此次课题组并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池———染料敏化太阳能电池，尝试将光能转化成电能。

在上海市纳米专项基金的支持下，经过3年多实验与探索，这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10％，接近11％的世界最高水平。

　　项目负责人、华东师大纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心主任孙卓教授展示了新型太阳能电池的“三明治”结构———中空玻璃夹着一层纳米“夹心”，光电转化的玄机就藏在这层几十微米厚的复合薄膜中。

纳米“夹心”的“配方”十分独特：

染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”。

为了让染料尽可能多“吃”太阳光，科研人员还别出心裁地撒了点“佐料”———一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。

只要不断改进“配方”，纳米“夹心”的光电转化效率就能一次次提高。

　　作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。

据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1／10。

同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响。

另外，它还有许多有趣用途。

比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。

太阳能是一种洁净和可持续产生的能源，发展太阳能科技可减少在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题。

1.3我国对太阳能的利用

1.3.1我国太阳能利用产业现状

太阳能利用前景广阔，中国蕴藏着丰富的太阳能资源。

目前，我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国，太阳能产业规模已位居世界第一。

我国比较成熟太阳能产品有两项：

太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。

在国际性比赛项目中，太阳能也起到了很大作用，例如，2008年，北京奥运会就让我们看到了太阳能发电，北京的奥运村是奥运历史上第一次全面采用世界最先进的太阳能光热系统提供热水给运动员洗浴，奥运村内的路灯照明用电也将由太阳能产生。

“国家体育馆100kw太阳能光伏电站”在整个奥运会进程中起到了重要作用。

今后太阳能将成为奥运会等一系列国际比赛的主要能源。

可以这样说，我国的太阳能产业正在逐步壮大。

1.3.2我国太阳能利用产业前景

京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策保障；西部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。

1.4太阳能电池

1.4.1太阳能电池的分类

　　太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

　　按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形、ⅢV族、ⅡⅥ族和磷化锌等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：

硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的。

下面我们就对硅太阳能电池作为展开了解。

　硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

　　单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

　　多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

因此，多晶硅薄膜

电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力