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太阳能板对铅酸蓄电池的智能充电电路设计科研正文 传统的太阳能照明系统中，太阳能电池板输出的电能直接经过控制器进行电压及电流调节，对蓄电池进行充电。然后在需要的时候，通过蓄电池向灯具，通讯设备等用电器提供电能。而这个关系中，提高光电转化效率和降低材料成本是最为重要的技术问题。也许我们可以通过使用更高效率的的太阳能电池板来减少太阳能电池的数量以降低成本；或者使用高能的锂电池来提高光电转化效率。但是，高效率太阳能电池由于需要更高的制作难度、锂电池由于原材料问题使两者价格比普通材料昂贵很多。在批量生产中，这样的优化组合未必能降低生产成本。所以，本文主要讨论使用普通的铅酸蓄电池，通过优化充电系统和负载匹配来获得更高效的系统。 太阳能电池板的选择：太阳能电池的一个单体等效于一个PN结。单体电池的开路电压在0.45V～0.6V之间，一般情况下电压为0.5V，电池串联的片数越多电压越高；单体电池的电流取决于单个PN结实际受光面积,其短路电流一般为15～30mA/cm2，受光面积越大或者并联的片数越多则电流越大。目前市面上的太阳能电池分为非晶硅和晶体硅。其中晶体硅又可分为多晶硅和单晶硅。从三种材料的光电转换效率来看是：单晶硅（最高可达17％）多晶硅（12～15％）非晶硅（5％左右）。晶体硅（单晶硅和多晶硅）的在弱光下基本上不会有电流产生，非晶硅弱光型好（在弱光下能量本来就很少）。从效率方面说，使用单晶硅电池板最好，但晶体硅。而且由于技术进步，晶体硅光电池价格也比较便宜。选择晶体硅光电池在提高光电转换效率和缩小产品体积有很大益处。太阳能电池的最大功率Pmax=开路电压×短路电流，这是它们的理想功率，而平时大家衡量太阳能电池的是额定功率Pm。实际中额定功率是小于最大功率的，主要是由于太阳能电池的输出效率η只有70%左右。在使用中由于受光强度的不同，所以不同时刻的功率也是不同的，根据实验数据它的实际平均功率P=0.7Pm。如果太阳能电池要直接带动负载，并且要使负载长期稳定的工作，则负载的额定功率为Pr=0.7Pm。如果按照负载的功率选择太阳能电池的功率则电池的功率为：Pm=1.43Pr。就是说太阳能电池的功率要是负载功率的1.43倍。在选择太阳能电池的功率时,亦应合理选择负载的耗电功率,使发电功率与耗电功率处于一种平衡状态。当然太阳能电池的发电功率也会受到季节、气候、地理环境和光照时间等多方面因素的制约。 蓄电池的选择：市售的大功率蓄电池大致有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池，锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子电池等。铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富及造价低廉等优点而得到了广泛的使用。但是由于充电方法不合理，使其寿命大大缩短。现在很多铅酸蓄电池的使用寿命只有3-5年，远低于设计指标10-15年的要求。研究发现：电池充电过程对电池寿命影响较大，也就是说，绝大多数的铅酸蓄电池不是用坏的。而是“充坏”的。铅酸蓄电池负极为铅，正极为二氧化铅，电解质为硫酸。多数为开口式或防酸式。近年来，密封式铅酸蓄电池逐渐在许多领域被使用。铅酸蓄电池具有价格低廉，适用于低温高倍率放电而被广泛应用。但是由于铅酸蓄电池效能较低，而且生产过程会产生有毒污染，一定程度上限制其使用范围。蓄电池的容量选择很讲究，在实际应用中，太阳能电池板、蓄电池、负载三者之间必须相互配合。尽量做到在可容许的时间内充满电池，并且蓄电池要在下一次充电前为负载提供足够电能。如果三者配合不好的话，可能会导致充电用不完或者经常不足以提供负载足够时间的电力。如设计一个太阳能路灯，必须做到能在一个白天充满电，然后为路灯提供至少一个晚上的电能。至于蓄电池的容量选择，我们可以按照太阳能电池板（或者负载）实际需求其中之一来入手。然后确定蓄电池的容量，最后计算出负载（或者太阳能电池板）的参数。尽量做到三者都能充分利用。 太阳能电池连接拓扑对充电效率的影响：现在，市面上的铅酸蓄电池按照电压分类大致有6Ｖ，12Ｖ，24Ｖ三种常见的类型。而太阳能电池单体电压却一般只有0.5V。比铅酸蓄电池低很多，所以需要通过级联或电压转换才能向蓄电池进行充电。而一般的做法是将多个电池进行串联以提高总电压；还有一种方法是使用多个电池并联提高负载能力，然后通过升压（Boost）型DC-DC变换器将电压提升后向蓄电池充电。下面我们比较一下两种方法：假设有12个电压E=1V、内阻r=1Ω（r会随光强和负载变化而变化）的太阳能电池。根据最大功率定理：当负载电阻等于电源内阻时，负载获得最大功率。先单看太阳能电池在两种接法在内阻上消耗的功率： 当12个太阳能电池串联时，得到12V的输出，总内阻12r=12Ω，即负载电阻R=12Ω