太阳能电池设计方案作业

编 号审定成绩重庆邮电大学课程设计（论文）设计 （论文） 题目 太阳能电能收集充电器学 院 名 称 通信与信息工程学院学 生 姓 名 杨海，张强，马超，殷亮，余凌霄专 业 电子信息工程 （通信技术方向）班 级 3100801 指 导 教 师 刘乔寿答辩组 负责人 填表时间 2011 年 12 月重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- I - 【摘录】 本文通过对电路设计的总体要求的把握和理解，在充分理解性能及设计要求指标的基础上，对元器件的选择做了比对和较为细致的研究，阐述了电路设计中对于升降压电路的选取带来的不同性能，从综合性比较的角度上，得出了自动切换升降压方案在性能，经济成本，适用范围，可操作性等方面相对更优性，并通过最后的测试方案在误差范围内验证了设计方案，完成了课程设计任务。在具体设计过程中，主要使不同强度的太阳光所产生的不同大小电压，通过可编程输出电压的相关芯片， 如 TPS61200,LM317等芯片调整出适当的输出电压， 使其符合锂电池充电所需的 4.2V 并且尽可能的稳定。本系统的供电电源转换分为升压和降压两部分，升压部分是一节干电池作为供电电源，通过升压电路转换为可为手机充电的电压，降压部分是由太阳能电池板作为供电电源，通过降压电路之后转换为可为手机电池充电的电压。【关键词】 自动切换升降压方案 综合性比较 测试方案验证 稳定性重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- II - 目 录前 言 1 第一章 太阳能概述及应用 2 1.1 太阳能电池发展历史及趋势 2 1.1.1 发展历史简介 2 1.1.2 发展趋势预测 3 第二章 电路设计总体方案概述 4 2.1 方案一 降压电路方案概述 4 2.1.1 电路设计的原理 4 2.1.2 设计的主要器件选择 4 2.2. 方案二 升压后降压方案概述 4 2.2.1 电路设计的原理 5 2.2.2 电路设计的主要器件选择 5 2.3 方案三 自动切换升降压电路概述 5 2.3.1 电路设计的原理 5 2.3.2 电路设计的主要器件选择 5 第三章 电池设计具体方案分析与讨论 6 3.1 降压电路具体设计探讨 9 3.2 升压后降压方案具体设计探讨 12 3.3 自动切换升降压电路具体设计探讨 15 3.4 本章小结 16 第四章 设计实际测试结果分析 16 4.1 关于模拟测试的探讨与结果分析 16 4.1.1 模拟测试与实际充放电的区别与共性 17 4.1.2 测试的具体方法讨论 17 4.2 实际测试数据探讨与对比 18 4.2.1 测试模型的选取 18 4.2.2 实际测试数据分析 19 重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- III - 第五章 设计方案成果总述 19 5.1 测试方案与设计方案的对比 20 5.1.1 性能参数与成本综合对比 20 5.1.2 关于对比差异的分析和思考 21 5.2 关于本次设计的心得和体会 21 结 论 21 致 谢 22 参考文献 22 附 录 22 一、英文原文 23 二、英文翻译 24 三、工程设计图纸 25 三、实验数据 26 五、其他 27 重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 1 - 前 言电池行业是 21 世纪的朝阳产业，自 1954 年 BELL 实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为 6，自此开启了太阳能电池的新纪元。硅系太阳能电池从单晶，多晶硅发展到非晶硅，从块状发展到薄膜，实现第一代到第二代的转换。20 世纪后期，各种化合物薄膜电池兴起，呈欣欣向荣的局面，有机薄膜电池也不甘寂寞，在沉寂了数年之后也重新焕发了生机太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以体为例描述光发电过程。 P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅，形成 P－ N 结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的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，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。 这个过程的实质是 光子能量转换成电能的过程。具体到设计而言，在老师的指导和帮助下，我们首先确定了太阳能充放电电路的大致模型， 了解了升降压电路在太阳能电池设计中的作用， 大致明确了各功能模块我们的课程设计正是基于此上，通过对芯片的选取，电路的设计比较，在多种方案中进行对比选优，并通过模拟仿真测试手段，完成该课程设计。最后因水平有限， 同时编写时间也比较仓促， 因而教材中一定存在不妥之处，希望老师提出批评和指正重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 2 - 第一章 太阳能概述及其应用第一节 太阳能电池发展历史及趋势1.1.1 发展历史简介太阳能电池又称光伏电池， 是一种能有效地吸收太阳辐射能， 并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联， 以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。 太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样， 与普通电池外观不同， 它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题 , 是可再生能源和可持续发展的可靠能源。硅太阳电池的发展， 始于 1954 年在 , 美国贝尔研究所试制成功， 次年便被用做电信装置的电源， 1958 年又被美国首次应用和于“先锋 1 号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。 与此同时， 地面用太阳电池的研究也在不断开展， 特别是 1973 年的能源危机， 又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、 利用太阳能电池， 为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中， 大多数都配备了太阳能电池系统。 第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。 无论是在宇宙飞行中的应用， 还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。光伏发电具有许多优点 如 安全可靠、 无噪声、 无污染、 能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。1.1.2 发展趋势预测目前，全球太阳能电池市场竞争激烈，欧洲和日本领先的格局已被打破。尽管主要的销售市场在欧洲， 但太阳能电池的生产重镇已经转移到亚洲。 2010年，在光伏市场带动下，全球光伏电池产量持续增长，达到 21GW，比 2009 年增长了一倍。重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 3 - 在世界光伏市场的强力拉动下，中国太阳能电池制造业通过引进、消化、吸收和再创新， 获得了长足的发展。 中国太阳能电池产业的发展大致可分为三个阶段。 第一阶段为 1984 年以后的研究开发时期； 之后迎来了 2001 年以后的产业形成时期，第二阶段也是尚德等太阳能电池厂商开始创业的时期； 2005年至今的第三阶段是中国太阳能电池产业的快速发展时期。得益于国家对太阳能等新能源产业的政策、 资金支持， 2010 年太阳能电池产业增长迅速，在世界 10 大太阳能电池生产商中有 4 家是中国企业。中国已在太阳能电池生产制造方面取得重要地位，也将成为使用太阳能的大市场。 近年来国家陆续出台了太阳能屋顶计划、 金太阳工程等诸多补贴扶持政策，在政策的支持下中国有望像美国一样，启动一个巨大的市场。作为太阳能电池的材料， iii-v 族化合物及 cis 等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高， 但从材料来源看， 这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。 而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低， 这两类电池还处于探索阶段， 短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此， 从转换效率和材料的来源角度讲， 今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。 由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。影响非晶硅电池作为地面电源应用的最主要问题，是效率低、稳定性差。目前实验室效率已达１５％，但生产中电池组件的稳定效率仅为５．５％～７．５％。引起效率低、稳定性差的主要原因是光诱导衰变，即所谓的Ｓ－Ｗ效应。 用氢稀释硅烷方法生长的ａ－Ｓｉ和ａ－ＳｉＧｅ薄膜可以抑制光诱导衰变，提高效率。使用双叠层、三叠层或多叠层结构可以增加光谱响应，提高效率。 但从工业化生产和地面电源应用的要求来看， 问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多工作要做。关于非晶硅电池的衰降问题，许多科研人员已进行多年的研究实验，并还在继续进行着，主要内容有①高质量本征非晶硅材型和ｐ型非晶硅材料的研究， 改善薄膜完整性， 提高掺杂效率， 增强内建电场，提高电池的稳定性。 ③改善非晶硅电池内部界面， 降低界面态， 减小界面复合，提高输运效率、转换效率和电池的稳定性。④优质ａ－ＳｉＧｅ合金材料的研究， 进一步完善双结、 三结、 多带隙非晶硅电池， 提高效率和电池的稳定性。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来， 现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的， 这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。 因此， 在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。 也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。 近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片， 以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 4 - 第二章 电路设计总体方案概述第一节 方案一降压单一功能方案 2.1.1 方案一的设计原理 在日常生活中， 太阳能可以说是无限的， 因此并不需要有对太阳能的节约限制方案一从该点出发，整体思路为，在日光足够充足的环境下，使用降压功能电路使过高的太阳能输出电压通过电路编程转换为适合使用的范围。根据降压电路所需的条件，以及锂电池的条件需求，我们设计的原理是，通过降压芯片以及外部电路使得在输入电压足够高的时候， 通过降压芯片与外部电路的工作使得输出电压稳定在 4.2V。 达到对太阳能的收集并给锂电池充电的目的2.1.2 方案一得器材选择 从性能要求，性能指标和成本指标的 3 方面考虑，我们选择了功能单一，价格低廉的 LM317 芯片作为方案一得设计主体。 LM317 具有降压编程输出电压的简单功能，其使用范围要求输入电压较高，因此，方案一仅仅适合在日光充足的条件下使用。第二节 方案二升压后降压方案2.2.1 方案二的设计原理 因为光照是不稳定的，切随时间变化而变化，所以输入电压不一定都能达到我们所需要的，因此，为了增加充电器的工作范围，我们需要为其再增加一个升压电路。 使得在电压较低的时候先通过升压电路使其电压足够高， 再通过降压电路稳定输出电压从而达到扩大使用范围的目的。根据方案二的性能要求明确了电路的设计需要分为两部分，第一部分用来升压第二部分用来编程输出电压， 所以电路的前一半需要对输入电压较小的时候进行升压至 7V 左右，使其输入电压能够满足我们的需要。在升压结束以后继续通过方案一得降压电路对其输出电压编程，最后将输出电压稳定在 4.2V。2.2.2 方案二的器材选择 根据方案二的要求和成本考虑， 后半部分的降压电路可以延续使用方案一中的 LM317 芯片和其外部电路，而前一半的升压电路需要满足从低电压升压至7V，所以可选的芯片有 BL8530 以及 TPS61200，从成本考虑， BL8530 既满足重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 5 - 工作要求，价格也便宜，所以我们选择 BL8530 及其外部电路配合 LM317 作为方案二的器材。第三节 方案三自动切换升降压方案 2.3.1 方案三的设计原理为了满足各种不同的光照环境， 最好能达到自动调整选择升降压， 最终输出4.2V 以达到自动对不同光照强度的光能进行收集的效果。 这种电路的性能最好适用范围最高。方案三的总体思路是，在较低的光照下，自动升压使其升高输出电压，而在较高的光照环境下，自动识别降压功能，使其输出电压下降到需要的定值。2.3.2 方案三的器材选择根据方案三的性能要求， 所需的芯片一定要有自动倒换的功能， 并且必须同时具有升压降压的功能，因为我们选择 TPS61200芯片作为设计主体，再加上外部电路以及可调电阻作为本方案的器材。第三章降压电池设计具体方案分析与讨论在日常生活中， 光照可定性为无限的资源， 所以光能在大多数的时间是可以不用考虑节约问题的， 那么首先想到的集电充电方法便是将充足的光能转化为电能，然后进行降压，最后成为产品。因为 LM317 芯片成为了我们的首选。LM317 芯片的简单介绍 LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。 LM117/LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V， 负载电流最大为 1.5A。 它的使用非常简单， 仅需两个外接电阻来设置输出电压。 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。 LM117/LM317 内置有过载保护、 安全区保护等多种保护电路。 通常 LM117/LM317 不需要外接电容， 除非输入滤波电容到 LM117/LM317 输入端的连线超过 6 英寸 （约 15 厘米） 。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。 LM117/LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上， 可以用来调节高达数百伏的电压， 只要输入输出压差不超过 LM117/LM317 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。LM317 芯片的特性简介可调整输出电压低到 1.25V。保证 1.5A 输出电流。典型线性调整率 0.01。典型负载调整率 0.1。 80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。LM317 芯片的使用注意事项输入至少要比输出高 2V ，否则不能调压。输入电压最高不能超过 40V。 输出电流最好不超过 1A。 输入 12V 的话， 输出最高就是 10V 左右。 由于它内部还是线性稳压， 因此功耗比较大。 当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时， 注意 317 的功耗不要过大。 一般加散热片后功耗也不超过 20W。因此压差大时建议分档调压。 R1 的取值不能太大，重庆邮电大学本科毕业设计（论文）- 6 - 最好不大于 240 欧。LM317 芯片的降压应用电路在上图中 Vout1.25V（ 1R2/R1） IAdj*R2 。其中 IAdj 一般可以忽略不计。根据实际设计的需要和测试结果。 R2 的取值我们设定为 1K 欧姆左右的可调电阻，常驻值为 640 欧姆左右，根据实际情况可能会有些许偏差。3.2 第二节 先升压再降压的电路具体方案。在日常生活中， 光能虽然是无限的， 但是却无法保证随时都光线充足，那么在保证成本尽可能低的情况下，又想改善性能，提高适用范围，于是我们在降压电路前端先升压再降压。这样就可以扩大适用范围。