龐小蘭

（肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶 526114）

傳統(tǒng)的石油資源日益枯竭，人們對(duì)石油資源的依賴性和石油儲(chǔ)量的不斷銳減形成了鮮明的反差.汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也給社會(huì)環(huán)境帶來了一定的壓力，尋找新能源解決方案是汽車發(fā)展的新課題.

太陽能是一種可再生能源，取之不盡、使用安全，引起了人們的極大關(guān)注,太陽能電池是開發(fā)利用太陽能最有效的方法之一.太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能的，是對(duì)環(huán)境無污染的可再生能源，它的應(yīng)用可以解決社會(huì)發(fā)展在能源需求方面的問題.

太陽能是一種儲(chǔ)量極其豐富的潔凈能源，太陽每年向地面輸送的能量高達(dá) 3×1024焦耳，相當(dāng)于世界年耗能量的1.5萬倍.因此太陽能電池作為人們利用可持續(xù)的太陽能資源，是解決世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題的一條重要途徑，[1]因此近幾年對(duì)于太陽能汽車的研究已經(jīng)日益增多.所謂太陽能汽車就是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并利用該電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛.太陽能汽車由于其零污染、能源用之不竭，代表了汽車發(fā)展的新水平，因此被人們稱為“未來汽車”.因?yàn)槟壳疤柲芷囘€有一些不能逾越的障礙，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不高，太陽能輻射功率單位面積比較小，而價(jià)格又比較昂貴，所以目前太陽能汽車離我們的生活還比較遙遠(yuǎn).而將太陽能汽車的概念實(shí)際化應(yīng)用，讓太陽能汽車這種尚未得以普及的意念實(shí)際應(yīng)用成為目前汽車或者是電動(dòng)汽車上的一個(gè)部件，通過轎車天窗和太陽能電池模塊的一體化設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)時(shí)的電源供給，從而使車內(nèi)排氣扇工作，達(dá)到停車通風(fēng)的效果，改善車內(nèi)的空氣質(zhì)量.

1 太陽能介紹

太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換部件才能轉(zhuǎn)換成電能.太陽能電池就是一種直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換部件.它的物理基礎(chǔ)是兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的大面積P-N結(jié)，以及非平衡少數(shù)載流子在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成的漂移電流.用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體吸收光能后，半導(dǎo)體內(nèi)的原子獲得光能后產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，并在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)而分離，電子被送入N型區(qū)，空穴被送入P型區(qū)，從而使N型區(qū)有過剩的電子，P型區(qū)有過剩的空穴.這樣，就在P-N結(jié)的附近形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng).光生電場(chǎng)的一部分與內(nèi)建電場(chǎng)相抵消，其余的使 P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)，故太陽能電池通常又稱為光伏電池.這樣P型區(qū)和N型區(qū)產(chǎn)生的光生載流子，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，反方向穿過勢(shì)壘，形成光電流.理想P-N結(jié)的光伏電池電流—電壓(I-V)關(guān)系如式(1-1)所示：

其中，I為PN結(jié)的電流（A）；I0為反飽和電流（A）；V為外加電壓（V）；q是電子電荷（1.6× 10-19C）；K是波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T是絕對(duì)溫度（K）.

實(shí)際上太陽能電池還具有體串聯(lián)電阻 Rs和并聯(lián)電阻Rsh等.考慮到這些因素，通常采用太陽電池等效電路.實(shí)際太陽電池中的電阻等參數(shù)是分布參數(shù)，但在應(yīng)用中處理為集總參數(shù)后，其分析模型的精度仍足夠準(zhǔn)確，本文不考慮分布參數(shù)問題.通過二極管因子A可以考慮等效電路中二極管的非理想P-N結(jié)，取值范圍1-5在如圖設(shè)定的電壓、電流方向下，可得太陽能電池的I-V特性方程為：

圖1表明它具有強(qiáng)烈的非線性性質(zhì).[2,3]

圖1 太陽能電池的I-V和P-V特性曲線

由太陽能電池的I-V特性曲線可以得到太陽能電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)：

（1）短路電流(Isc)：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流；

（2）開路電壓(Voc)：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓；

（3）最大功率點(diǎn)電流(Im)：在給定日照強(qiáng)度和溫度下對(duì)應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流；

（4）最大功率點(diǎn)電壓(Vm)：在給定日照強(qiáng)度和溫度下對(duì)應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓；

（5）最大功率點(diǎn)功率（Pm）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下陣列可能輸出的最大功率，Pm=Im×Vm.

一個(gè)光伏電池單元一般只能產(chǎn)生大約0.45V的電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的數(shù)值.在實(shí)際應(yīng)用中，一般把光伏電池單元通過串聯(lián)和并聯(lián)連接成光伏組件，太陽能光伏組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接，多個(gè)光伏組件可以通過串聯(lián)和并聯(lián)陣列.

2 研究思路

太陽能轎車天窗的系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，實(shí)際上就是一個(gè)太陽能電池的充放電路，系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 太陽能轎車天窗系統(tǒng)示意圖

太陽能電池：太陽能電池板是系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用.

充放控制器：充放控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生.通過充放控制器可以為負(fù)載提供穩(wěn)定電壓的直流電.

蓄電池：蓄電池的作用是將太陽能電池發(fā)出的直流電直接儲(chǔ)存起來，供負(fù)載使用.

直流負(fù)載：車內(nèi)排風(fēng)扇，實(shí)線停車通風(fēng).

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）太能電池

按照要求比對(duì)，最合適最常見的太陽能電池材料是硅類太陽能電池，而單晶硅的轉(zhuǎn)換效率最高，但是價(jià)格最貴，市場(chǎng)上常見的都是大功率的單晶硅太陽能板居多，所以選擇效率和價(jià)格都比較合適的多晶硅太陽能電池.而多晶硅太陽能電池的封裝方式一般有兩種，一種是鋼化玻璃封裝，重量厚度均比較大，但是壽命長(zhǎng)，可達(dá)到10年左右，常用于功率比較大的電池板.另一種為滴膠樹脂封裝，重量輕，厚度小，壽命大約為3年左右，常用于小功率的電池板.綜合考慮，選用滴膠樹脂封裝的多晶硅太陽能電池物美價(jià)廉.

（2）直流負(fù)載——車內(nèi)排氣扇

炎熱的夏天，汽車被陽光照射半個(gè)小時(shí)，車內(nèi)的溫度會(huì)急劇上升到高于車外雙倍的溫度，啟動(dòng)空調(diào)五分鐘以后車內(nèi)溫度才會(huì)下降，既不舒適又浪費(fèi)燃油.

車內(nèi)溫度在30℃以上，甲醛、苯類有害氣體的排放是平時(shí)排放的數(shù)倍以上，長(zhǎng)期在此環(huán)境下，易引發(fā)各種疾病.

現(xiàn)在在市面上流行的一種太陽能車內(nèi)排風(fēng)扇的原理比較簡(jiǎn)單，電池和排風(fēng)機(jī)是一體化的，靠太陽能電池來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作，但實(shí)際的排氣效果比較差，功率也比較小.

具體設(shè)計(jì)是采用了一款應(yīng)用于中央處理器的散熱渦輪風(fēng)扇改裝使用，可達(dá)到更大的風(fēng)量和更小的功率.去掉鋁片，有4個(gè)孔位可安裝在轎車出風(fēng)口之上，直接用夾具夾放于轎車空調(diào)出風(fēng)口的位置，此渦輪風(fēng)扇的功率為3W，最高轉(zhuǎn)速可到3 500RPM，風(fēng)量達(dá)到50CFM左右.比起原來的風(fēng)量和工作時(shí)間都多出數(shù)倍.實(shí)際測(cè)試的使用時(shí)間是6個(gè)小時(shí)左右，風(fēng)力強(qiáng)勁.

4 電路設(shè)計(jì)

外界氣候的變化無常，太陽光的強(qiáng)弱也不確定，導(dǎo)致太陽能電池輸出的電壓不穩(wěn)定，那么輸出的電流也就不斷變化，而轎車的用電設(shè)備要求電壓和電流相對(duì)固定，所以需要一個(gè)電路（如圖 3）給蓄電池充電，起到穩(wěn)壓的作用.

圖3 充電部分電路圖

在此設(shè)計(jì)中，三極管VT1起到開關(guān)的作用，它與變壓器T1、電阻R1和R3以及電容C2組成自激式振蕩電路.當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，電流從蓄電池正極流向電阻R1，然后到達(dá)三極管VT1的基極，同時(shí)，變壓器 T1的初級(jí)線圈通電，隨著基極線圈的電流增加，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓也不斷增加，此時(shí)，該感應(yīng)電壓給電容C2充電，隨著時(shí)間的累積，C2充電電壓不斷增高，VT1基極電位慢慢變低，當(dāng)三極管 VT1的基極電流變化不能滿足其繼續(xù)飽和時(shí)，VT1退出飽和區(qū)進(jìn)入放大區(qū).這時(shí)，三極管 VT1的基極電流開始下降，感應(yīng)線圈同樣產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)基極電流減小到低于E極時(shí)，三極管VT1截止，這時(shí)變壓器T1儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載，次級(jí)線圈產(chǎn)生的電壓經(jīng)二極管VD1整流濾波后，在C3上得到直流電壓給電池充電.

當(dāng)VT1截止時(shí)，蓄電池輸人電壓和感應(yīng)線圈的電壓通過R1、R3給C2反向充電，隨著時(shí)間的增多，三極管VT1基極的電位不斷升高，當(dāng)滿足導(dǎo)通條件時(shí)，三極管VT1重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去.

該電路設(shè)計(jì)有限壓保護(hù)功能，限壓電路由R5、R6、VD2、VT2等組成，其目的是保護(hù)蓄電池不被過度充電，并要求充電最大電壓值為4.2V.在蓄電池的的充電過程中，蓄電池兩端的電壓不斷上升，當(dāng)充電電壓大于上限值時(shí)，利用電阻R5、R6分壓后穩(wěn)壓二極管VD2開始導(dǎo)通，此時(shí)，三極管VT2導(dǎo)通，VT2的分流作用減小了VT1的基極電流，從而減小了VT1的集電極電流Ic，達(dá)到了限制輸出電壓的作用.這時(shí)電路停止了對(duì)電池的大電流充電，用小電流將電池的電壓維持在4.2V.

5 充放控制器軟件設(shè)計(jì)

充放控制器是太陽能控制系統(tǒng)中的核心部分，主要完成對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電的控制，以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效地保護(hù).[4]因此，對(duì)太陽能系統(tǒng)性能的影響除了硬件電路外，軟件的設(shè)計(jì)也在很大程度上影響了系統(tǒng)的可靠性和充電的效率，尤其是充電方法的實(shí)現(xiàn)更為重要（如圖4）.[5]鑒于以上考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)，利用單片機(jī)不斷的檢測(cè)蓄電池電壓、負(fù)載電流、太陽能電池端電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，根據(jù)所得參數(shù)進(jìn)行校正，同時(shí)，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制脈寬脈沖信號(hào)的占空比，從而對(duì)蓄電池實(shí)現(xiàn)不同幅值的恒壓充電；在蓄電池的每一個(gè)保護(hù)點(diǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同的控制動(dòng)作，對(duì)蓄電池加以保護(hù)，達(dá)到最佳的充電效果.為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠工作采用了先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)和電壓回差法來抑制干擾和振蕩等現(xiàn)象，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和平穩(wěn)性.[6]

6 結(jié)束語

本文研究了太陽能電池板在轎車天窗上的使用.在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充放控制器來保護(hù)電路并將電能輸出給車內(nèi)排氣扇，達(dá)到停車通風(fēng)的效果，同時(shí)將多余的電能給蓄電池充電.

圖4 控制軟件流程圖

[1]劉巍，王宗超.碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（10）.

[2]翟載騰，程曉航，丁金磊，等.最大功率條件下串聯(lián)太陽電池電流方程式的確定[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（14）:87-90.

[3]趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

[4]盧一民，黃國(guó)華.太陽能光伏應(yīng)用系統(tǒng)全日綜合效率的判定——5kW光伏水泵系統(tǒng)的研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，1994，15（4）:368-376.

[5]張鵬，王興君.小功率智能型太陽能控制器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，257（18）.

[6]Microchip Inc. PIC16/17 Microcontrollers Data Book. 1995/1996.