- 太陽(yáng)能電池發(fā)電及蓄電池充電的特性
- 太陽(yáng)能獨(dú)立式發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 系統(tǒng)配置計(jì)算的原理是供需平衡
- 白色LED超高亮度發(fā)光二極管作為發(fā)光體
太陽(yáng)能獨(dú)立式發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，指的是與交流市電電網(wǎng)無(wú)任何關(guān)聯(lián)的、完全由用電系統(tǒng)自身攜帶的太陽(yáng)能電池組件板供電工作的各種工作電器。如各種太陽(yáng)能草坪燈、庭院燈、景觀燈，獨(dú)立的太陽(yáng)能用戶電源供電系統(tǒng)，道路交通用的紅、藍(lán)雙色爆閃燈、黃閃燈，以及航道用的導(dǎo)航信號(hào)燈、移動(dòng)通訊基站等。
一、太陽(yáng)能獨(dú)立式發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)
其系統(tǒng)成見圖1所示。
二、設(shè)計(jì)實(shí)例
太陽(yáng)能草坪燈太陽(yáng)能草坪燈電路如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。
1．電路原理太陽(yáng)能電池板輸出的光伏電壓PV_out經(jīng)插座J1、J2接至電路板，該電壓分成兩路：一路經(jīng)二極管D1與蓄電池相連，給蓄電池充電，同時(shí)向U1、U2提供工作電壓；另一路經(jīng)R1及C2、DW1、R11并聯(lián)分壓后加至運(yùn)放U2(LM358)的反向輸入端②腳，作為天是否“黑了”的檢測(cè)電壓，運(yùn)放同相輸入端③腳則接于R4與(R5+VR1)串聯(lián)電路的分壓點(diǎn)上。其中。VR1是草坪燈點(diǎn)亮調(diào)節(jié)微調(diào)電阻，調(diào)節(jié)VR1改變U2同相輸入端的比較電壓值，即可改變草坪燈的開燈設(shè)置點(diǎn)。
U1為L(zhǎng)M317三端穩(wěn)壓芯片，調(diào)節(jié)微調(diào)電阻VR2可以改變加至草坪燈LED發(fā)光二極管的工作電壓．即在Q1導(dǎo)通的情況下，調(diào)節(jié)VR2使各LED串聯(lián)支路的工作電流為20mA。
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電路工作過程如下：在白天，由于太陽(yáng)能電池板的工作電壓較高，運(yùn)放U2②腳的電壓高于③腳。①腳輸出低電平，Q1截止，LED發(fā)光二極管不亮。隨著夜幕的降臨，太陽(yáng)能電池板輸出電壓逐漸降低．U2⑦腳電壓也伺時(shí)降低，當(dāng)②腳電壓低于③腳時(shí)．運(yùn)放1腳輸出高電平，Q1導(dǎo)通，四條LED發(fā)光二極管支路與“地”連通，LED點(diǎn)亮，當(dāng)天色轉(zhuǎn)明時(shí)，太陽(yáng)能電池板電壓再次升高，運(yùn)放再次截止……，最終導(dǎo)致草坪燈熄滅。草坪燈便如此日復(fù)一日，周而復(fù)始地工作。
考慮到生產(chǎn)成本，電路中未設(shè)計(jì)蓄電池過充電控制電路。而蓄電池過放電控制原理則是充分利用了LED發(fā)光二極管的導(dǎo)通“勢(shì)壘”來實(shí)現(xiàn)的，雖未加蓄電池過放控制電路,同樣也能實(shí)現(xiàn)蓄電池的過放電保護(hù)功能。
2．負(fù)栽電路工作情況及工作要求電路中用了12只φ5mm的白色LED超高亮度發(fā)光二極管作為發(fā)光體，構(gòu)成四個(gè)工作支路，每個(gè)支路由三只LED發(fā)光二極管串聯(lián)組成。白色發(fā)光二極管的工作電壓為3V左右，工作電流為20mA。由三端穩(wěn)壓器U1向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電壓，在這一電壓下要求保證發(fā)光管的工作電流為20mA。蓄電池能點(diǎn)亮二極管的最低電壓為：3V×3+(10mA×10R)+Vce+1．25V=10．55V。
式中：3Vx3為三只串聯(lián)發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓，10mAxl0R為各支路限流電阻上的電壓降，10mA為發(fā)光二極管最低點(diǎn)亮工作電流。Vce為Ql導(dǎo)通時(shí)的飽和管壓降，約O．2V，1．25V為L(zhǎng)M317最小工作電壓。即當(dāng)蓄電池電壓低于10．55V時(shí)，蓄電池停止放電，LED不再發(fā)光，從而達(dá)到了蓄電池過放電控制保護(hù)的目的。其工作要求為：草坪燈在天黑時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮，天明時(shí)自動(dòng)熄滅，同時(shí)要求草坪燈在連續(xù)三天陰雨天時(shí)能正常點(diǎn)亮。
3．系統(tǒng)配置計(jì)算太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的計(jì)算原則是能量守恒，計(jì)算的原理是供需平衡，最終實(shí)施的方法是：充分考慮不利因素，在保證草坪燈正常工作的情況下盡量壓縮設(shè)計(jì)成本。
(1)用電功率的計(jì)算草坪燈的功率為12Vx20mAx4=960mW。考慮到冬季晝短夜長(zhǎng)，要求每天能工作10小時(shí)以上．則每天太陽(yáng)能草坪燈消耗的電功率為960mW×10小時(shí)：9．6Wh。
(2)蓄電池容量計(jì)算選用12V電壓的蓄電池作為工作電源。設(shè)其容量為P安•時(shí)，放電深度為80％。根據(jù)能量守恒定律有：P×12Vx80％=9．6Whx3天，解得P="3Ah"。考慮到電路自身還要耗電，最終選用12V／4Ah標(biāo)準(zhǔn)系列的免維護(hù)鉛酸蓄電池作為工作電源。
4．太陽(yáng)能電池組件功率的計(jì)算太陽(yáng)能電池組件的功率=太陽(yáng)能電池組件的輸出電壓×太陽(yáng)能電池組件的輸出電流。
太陽(yáng)能電池組件的輸出電壓取決于太陽(yáng)能電池片串連數(shù)量的多少(一片太陽(yáng)能電池片的輸出電壓為O．5V左右)；太陽(yáng)能電池組件的輸出電流取決于太陽(yáng)能電池片面積的大小。知道了上述關(guān)系，即可按照要求設(shè)計(jì)太陽(yáng)能組件了。
太陽(yáng)能電池是草坪燈的供給能源，它一天接收的能量除了夜晚供給草坪燈工作外，還要有一定的富裕能量?jī)?chǔ)存在蓄電池內(nèi)，以備陰雨天之用。
設(shè)太陽(yáng)能電池的功率為Pv(W)，Pv與接收太陽(yáng)能照射的小時(shí)數(shù)的乘積，即為一天內(nèi)所發(fā)出的電量Wh(瓦時(shí))。根據(jù)上述草坪燈一天消耗的能量可得Pv的發(fā)電量應(yīng)大于960mWh。由于我國(guó)地域遼闊。加之春、夏、秋、冬四季日照的變化，所以，天日照小時(shí)數(shù)是不等的，多數(shù)地區(qū)平均有效曰照小時(shí)數(shù)為3．5小時(shí)－5小時(shí)。西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙等地區(qū)日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，特別是在夏季可取有效日照小時(shí)數(shù)的上限值，甚至更高；其他地區(qū)平均有效日照時(shí)數(shù)均低于上述地區(qū)，以重慶地區(qū)為最短，平均有效日照時(shí)數(shù)不足3小時(shí)。因此，日平均發(fā)電量也是最少的，這一地區(qū)不適于使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電。本草坪燈以平均日照時(shí)數(shù)為5小時(shí)計(jì)算，并綜合考慮太陽(yáng)能電池向蓄電池充電效率不大于60％，則Pvx5h(小時(shí))x60％>9．6Wh，解得：太陽(yáng)能電池(組件)功率Pv>3．2W。
太陽(yáng)能電池的電壓選擇原則采用行業(yè)內(nèi)流行的“最大功率跟蹤”充電法，在這一方法下選擇太陽(yáng)能電池的電壓可以得到最佳的充電效果，而且此方法也得到了行業(yè)內(nèi)人士的一致認(rèn)可。對(duì)于用這一方法和理論充12V蓄電池來說：可用36片～33片太陽(yáng)能電池片串聯(lián)后給蓄電池充電，36片太陽(yáng)能電池串聯(lián)后，其開路電壓高達(dá)21V．最大工作電壓為18V。
大家完全不必?fù)?dān)心在這么高的電壓下會(huì)充壞蓄電池或損壞太陽(yáng)能電池，這也正是使用太陽(yáng)能電池與使用普通交流市電給蓄電池充電的最大差別。
由于太陽(yáng)能電池內(nèi)阻較高。在這一電壓下即使將太陽(yáng)能電池的正、負(fù)極短路，其最大短路電流也不過170mA，并且不會(huì)損壞太陽(yáng)能電池。常用的各種太陽(yáng)能控制器，就是用短路太陽(yáng)能電池的方法來達(dá)到控制停止充電的目的。
5．太陽(yáng)能電池片尺寸計(jì)算在確定了上述草坪燈太陽(yáng)能電池片的功率>3．2W、工作電壓為18V后，即可算得最終電池組件的電流要大于170mA這個(gè)值。對(duì)于125mm2、轉(zhuǎn)換效率為15％的單晶硅太陽(yáng)能電池片．功率為2．34W，最大輸出電流為4400mA，折合為單位面積上的輸出電流為O．2816mMmm2。對(duì)于170mA電流的太陽(yáng)能電池片的面積為：170mA／0．2816mA／mm2＝603．7mm2，因此太陽(yáng)能電池片切割寬度為：603．7mm2／125mm=4．83mm。4．83mm寬是計(jì)算值，生產(chǎn)上還要充分考慮電池片這樣切割是否為“單材料”，是否便于操作工焊接、量產(chǎn)，以及是否滿足蓄電池充電速率這一指標(biāo)要求。
在選用太陽(yáng)能作為充電源時(shí)，充電率以選擇在1／10C-1／20C范圍內(nèi)為宜。應(yīng)在滿足上述諸條件下確定最終切割尺寸。本設(shè)計(jì)選用125mm2單晶硅電池片切割21條，每條寬度為5．95ram(125mm／21條)．最大輸出電流為125mm×5．95mm×0．2816mA／mm2=209．5mA。最終組件電池片的尺寸為125mm×5．95mm，共計(jì)36條(片)串聯(lián)，最大工作電壓為18V．最大輸出電流為209．5mA，充電率1／C="209"．5mA4000mAh>1／20，最大輸出功率為3．77W。在這一條件下，有170mA電流用于晚上點(diǎn)亮LED，剩余電流存入蓄電池，以備陰雨天之用。
6．太陽(yáng)能電池片的封裝選擇小型太陽(yáng)能電池組件封裝有兩種，一種是用透明度較高的環(huán)氧樹脂封裝的“滴膠板”，另一種是用“低鐵”鋼化玻璃封裝的，稱為“層壓板”或組件。滴膠板具有生產(chǎn)尺寸靈活、成本低、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其最大缺點(diǎn)是太陽(yáng)能電池光效老化、衰減快、性能穩(wěn)定性差、使用壽命短，不利于長(zhǎng)期使用。層壓組件生產(chǎn)成本高、工藝復(fù)雜、使用壽命長(zhǎng)，在正常使用中壽命達(dá)25年以上。
三、太陽(yáng)能電池發(fā)電及蓄電池充電的特性簡(jiǎn)述
1．太陽(yáng)能電池溫度特性太陽(yáng)能電池是用半導(dǎo)體材料硅制作的，具有普通硅半導(dǎo)體材料的溫度特性，隨著溫度的上升，其輸出電壓是降低的，當(dāng)它在溫度較高的地區(qū)工作時(shí)，要充分考慮到這一點(diǎn)。對(duì)于太陽(yáng)能組件選用36片還是33片電池串聯(lián)這一問題，就要充分考慮使用地區(qū)的溫度，上述36片、18V工作電壓這一數(shù)據(jù)是在25℃條件下測(cè)試的，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)，其輸出電壓將降低2V．對(duì)于36片串聯(lián)電池組件，這時(shí)的工作電壓不再是18V，而是16V。當(dāng)它工作在高寒地帶時(shí)，其輸出電壓是升高的，因此可選用33片電池串聯(lián)為12V蓄電池充電。
2．蓄電池放電容量與溫度有關(guān)隨著溫度的降低，蓄電池電解質(zhì)活動(dòng)能力將變得遲緩．放電容量是下降的。通常，鉛酸蓄電池的容量是在25~(2標(biāo)定的，當(dāng)溫度降到0℃時(shí)，其容量下降至額定值的90％左右。當(dāng)溫度降到一20℃時(shí)，其容量下降為不足額定容量的80％．甚至更低。
