太阳能电池板自动清洗与电能管理系统Word格式.doc
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太阳能电池板自动清洗与电能管理系统Word格式.doc
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SolarEnergy;
Solarpowerstorage;
Automaticcleaning;
1.绪论
1.1课题背景
自从两次工业革命以后,煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛地应用到生产生活的各个方面。
随着社会经济的不断发展和人类文明的不断进步,人类对能源的需求量不断飞速增长。
然而,这些曾经被人们广泛应用并且现在还在被使用的基本都是不可再生能源。
其有限的储量与人类无限的需求之间构成了不可调和的矛盾。
其次,煤、石油、天然气等化石燃料燃烧后会产生大量的二氧化碳气体,造成温室效应,加速全球气候变暖,给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。
再者,这些不可再生能源的大量使用,还会产生环境污染、生态破坏等严重问题。
因此,开发一种储量巨大、清洁、无污染的可再生能源已经成为当今社会的广泛共识。
与常规能源相比,太阳能具有三大优势:
其一,它是人类可以利用的最丰富的能源。
据统计,在过去的漫长的十几亿年中,太阳只消耗了它本身能量的2%。
按照这种速度计算,太阳足以供给人类使用几十亿2%。
按照这种速度计算,太阳足以供给人类使用几十亿年,可谓取之不尽、用之不竭。
其二,在地球上,只要有光照的地方都有太阳能,这样我们就可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对于交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有实用价值。
其三,太阳能是一种十分清洁的能源。
在开发和利用太阳能时,不会产生废渣、废水和废气;
也没有噪音,更不会产生大气污染、影响生态平衡等环境问题。
因此,太阳能是一种非常合适的新能源,研究和开发太阳能,对于我们人类今后的生产生活乃至生存,都具有十分重要的意义。
1.2国内现状
在我国,太阳能的利用也一直是最热门的话题,经过多年的发展,国内在集热器(含太阳能热水器)已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。
1998年销售总额达到了35亿元,其产量位居世界榜首。
我国的太阳能产业已开始运作。
中国科学院宣布启动西部行动计划,将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究,建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。
目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地,该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体,一期工程完成后可达到年产3兆瓦多晶硅太阳能电池的能力,填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白,并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。
但从整体上分析,国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚,尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平,整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。
经粗略统计表明,国内目前仅建有5个(单晶硅)太阳能电池生产厂,年产量约有4.5兆瓦(注:
1兆瓦(MW)为1000千瓦),工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。
而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。
这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达18.3%,比目前平均转换效率提高了3个百分点。
据业内人士介绍,我国太阳能电池平均转换效率不高,其主要原因是专用材料国产化程度低,如封装玻璃就完全依赖进口,低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求,科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。
1.3课题基本内容
(1)电能管理系统我用的是LT3652,它接受4.95V-34V的宽输入范围,具有40V的绝对最大额定值以增加系统裕度。
该器件可以为各种配置的电池组充电,充电电流可编程至2A。
并且在非充电时从电池吸取<
1uA的电流,是电池处于动态充电状态,从而大大增加了电池的使用寿命。
(2)自动清洁系统,主要利用的是单片机控制电机。
用单片机编程内部定时,固定的时间是单片机给直流电机信号,从而使电机带动齿轮转动,齿轮带动传送带使轨道上雨刷上升进行第一次清洁,到达行程开关处单片机给电机一个反向电压,从而使电机反转使雨刷下降完成第二次清洁,到达行程开关处停止。
系统结构图如图1.1
图1.1 系统结构方框图
1.4预期目标
1、实现白天的日照能够对蓄电池进行充电。
2、实现电池板的自动清洗功能。
2.硬件设计
2.1硬件选取及构成
2.1.1太阳能电池的原理及选用
太阳能电池是一个巨大的PN结,它把太阳能转换为电能,对于单片太阳能电池来说,它是一个小的PN结,除了当太阳光照射在上面时,它能够产生电能外,它还具有PN结的一切特性。
在标准光照条件下,它的额定输出电压为0.48V。
在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。
它具有负的温度系数,温度每上升一度,电压下降2mV。
对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件,太阳能电池一般都如下参数:
Isc是短路电流,Im是峰值电流,Voc是开路电压。
Vm是峰值电压,Pm是峰值功率。
在使用中,太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏,实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。
太阳能电池的选择:
我们所说的太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下,即:
欧洲委员会定义的101标准,辐射强度1000W/m2,大气质量AM1.5,电池温度25℃条件下,太阳能电池的输出功率。
这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多,(在长江下游地区只能接近这个数值)这并不象有些人想象的那样,只要有阳光就会有额定输出功率,甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。
这就是说,太阳能电池的输出功率是随机的,在不同的时间,不同的地点,同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。
太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件,这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”,因此太阳能电池又称为“光伏电池”,用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质,和任何物质的原子一样,半导体的原子也是由带正电的原子核和带负电的电子组成,半导体硅原子的外层有4个电子,按固定轨道围绕原子核转动。
当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱离轨道而成为自由电子,并在原来的位置上留下一个“空穴”,在纯净的硅晶体中,自由电子和空穴的数目是相等的。
如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素,由于这些元素能够俘获电子,它就成了空穴型半导体,通常用符号P表示;
如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素,它就成了电子型半导体,以符号N代表。
若把这两种半导体结合,交界面便形成一个P-N结。
太阳能电池的奥妙就在这个“结”上,P-N结就像一堵墙,阻碍着电子和空穴的移动。
当太阳能电池受到阳光照射时,电子接受光能,向N型区移动,使N型区带负电,同时空穴向P型区移动,使P型区带正电。
这样,在P-N结两端便产生了电动势,也就是通常所说的电压。
这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。
如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。
目前,技术最成熟,并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。
太阳能电池就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。
常规太阳电池简单装置如左图所示。
当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后,由于扩散和漂移作用,在界面处形成由P型指向N型的内建电场。
当光照在太阳电池的表面后,能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对,这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开,在电池的上下两极累积,这样电池便可以给外界负载提供电流。
设计选用的是CanadianSolar公司生产的YJ0177-1型单晶硅太阳能电池板。
超级直线型结构的单晶硅太阳能电池板。
其转化率较高能达到14-20%,光电转换效率不易随时间衰退,结构上有良好的耐久性、可靠性,不会过重且价格适中。
输出电压:
18伏特(可给12伏蓄电池充电)
最大开路电压:
20伏特
重量:
0.5千克
外形尺寸:
185*135*25mm
2.1.2储能专用铅酸蓄电池的介绍与选用
近年来,太阳电池的光伏发电技术得到了世界各国的高度重视。
从欧美的太阳能光伏“屋顶计划”到我国的西部光伏发电项目以及“光明工程”。
太阳能光伏发电已经显示了其强劲的发展势头。
随着光伏发电技术的发展和低成本光伏组件的产业化,太阳能灯具、光伏电站和光伏户用电源,均要求蓄电池供应商能够提供全天候运行的蓄电池,而目前光伏系统多采用阀控式密封铅酸蓄电池(以下简称铅酸蓄电池缩写为VRLAB)胶体铅酸蓄电池和免维护铅酸蓄电池(不是VRLA蓄电池)作为储能电源。
耐候性是指蓄电池适应自然环境的特性。
本文主要讨论自然环境下温度对蓄电池寿命、容量的影响及解决方法,以及储能铅酸蓄电池选用。
一、温度对铅酸蓄电池寿命的影响
VRLA铅酸蓄电池受温度影响较大,按阿里纽斯原理,在大于40℃,温度升高10度,寿命降低一倍,寿命终止的主要原因是:
(一)硫酸电解液干涸;
(二)热失控;
(三)内部短路等。
(一)硫酸电解液干涸:
关键问题因素之一。
酸液干涸将造成电池容量降低,甚至失效。
造成电池干涸失效这一因素是铅酸电池所特有的。
酸液干涸的原因:
(1)气体再化合的效率偏低,析氢析氧、水蒸发;
(2)从电池壳体内部向外渗水;
(3)控制阀设计不当;
(4)充电设备与电池电压不匹配,电池电压过高、发热、失水、干涸而失效。
VRLA铅酸蓄电池受到上述
(1)
(2)(3)(4)四种因素的影响,其中
(2)(3)(4)三种因素引起的失水速度随环境温度的上升而加快,从而加速了铅酸蓄电池以干涸方式失效。
酸液干涸是影响VRLA铅酸蓄电池寿命的致命因素,VRLA蓄电池不适于在35℃以上高温条件下使用。
(二)热失控:
蓄电池在充放电过程中一般都产生热量。
充电时正极产生的氧到达负极,与负极的绒面铅反应时会产生大量的热,如不及时导走就会使蓄电池温度升高。
蓄电池若在高温环境下工作,其内部积累的热量就难以散发出去,就可能导致蓄电池产生过热、水损失加剧,内阻增大,更加发热,产生恶性循环,逐步发展为热失控,最终导致蓄电池失效。
VRLA铅酸蓄电池由于采用了贫液式紧装配设计,隔板中保持着10%的孔隙酸液不能进入,因而电池内部的导热性极差,热容量极小。
VRLA铅酸蓄电池之所以在高温环境下易发生热失控,是由于安全阀排出的气体量太少,难以带走电池内部积累的热量。
热失控的巨热将使蓄电池壳体发生严重变形、胀裂、蓄电池彻底失效。
(三)内部短路:
由于隔膜物质的降解老化穿孔,活性物质的脱落膨胀使两极连接,或充电过程中生成枝晶穿透隔膜等引起内部短路。
深放电之后的蓄电池,其吸附式隔板易出现铅绒或弥散型沉淀,或形成枝晶,导致正负极板微短路。
由于VRLA铅酸蓄电池的负极冗余设计,充电的初、中期充电效率比正极板充电效率高,所以在正极板析氧之前,负极已生成足够的绒面铅,用于使氧进行再化合。
在制作蓄电池过程中,以负极活性物质的量作为控制因素,可以减缓电池性能的恶化。
除此而外,目前在铅酸蓄电池中还普遍采用添加剂,用以改善蓄电池性能,如添加锌、镉、锂、钴、铜、镁等金属盐或氧化物。
这些添加剂均为强电解质,在放电过程中其离子向负极迁移。
这些金属离子起化合配位作用,降低形成硫酸铅的概率,既使形成了硫酸铅,也比较松软,易于软化或还原。
在电池的使用中,应尽量保持温度恒定,避免温度的大起大落,减少枝晶析出产生的机会。
综上所述,高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用,低温会引起负极钝化失效,温度波动会加速铅酸蓄电池内部短路等等。
这些都将影响电池寿命。
二、温度对铅酸蓄电池容量的影响
(一)第一类早期容量损失,缩写为PCL-Ⅰ。
铅酸蓄电池容量突然损失的主要原因是阻挡层。
由于Pb-Ca-Sn-Al合金再生缺陷和半导体效应,正极活性物质与板栅间形成了单项导电的阻挡层,导电层组成成分较为复杂并具有半导体特性的晶体,对温度极为敏感,通过对腐蚀层的研究,改进了电池的合金和铅膏添加剂等半导体掺杂制造工艺,其原理是半导体晶体对纯度极为敏感这一原理,一个ppm的掺杂能增加103的电导率,通过合理的掺杂工艺,这种失效模式基本上解决。
(二)第二类早期容量损失,缩写为PCL-Ⅱ
铅酸蓄电池容量缓慢损失的主要原因是不是通常所见的板栅腐蚀硫酸盐化或活性物质软化脱落等,而是由于多孔活性物质膨胀引起颗粒之间互相隔绝,受温度影响很大,由PbO2→PbSO4软化过程中膨胀收缩,引起的正极活性物松软和络合结构的不可逆损坏,逐渐软化脱落。
造成正极板以较低的速度损失容量。
(三)第三类早期容量损失,缩写为PCL-Ⅲ
铅酸蓄电池无法充电的主要原因是由于负极添加剂活性降低或损失,而使充电困难,充电接受能力差,再充电不足,从而导致负极板底部1/3处硫酸盐化而造成的。
在常温10h--20h率放电时电池容量受限于正极,在低温(-15℃以下)和高倍率(1h率以上)放电时电池容量收限于负极,低温大电流放电或受高温影响负极极易发生钝化,其原因是放电过程中有大量的离子要在很短时间内进入酸液,而形成晶核需要一些时间,这样在电极表面的呈现过大的饱和度,与正常放电电流密度相比就能够形成数量多而尺寸小的晶核,使得电极表面变成孔隙小的致密层,阻碍放电反应的继续进行,类似于部分放电量消耗于这种硫酸铅盐层上。
高温促使负极添加剂的分解或溶解在电解液中而早期损失,使负极绒面铅钝化。
在低温状态,溶解度明显降低,即使放电电流与低温低浓度时相同、放电时产生的速度不变,但相对于低平衡溶解度来说提高了饱和度。
在低温状态,还导致酸液的粘度增加,导致酸扩散速度下降,增大蓄电池的内阻,高速传质性能变坏。
钝化层厚度与硫酸铅的结晶尺寸、孔隙率和孔径结构有关,即与硫酸铅的溶解度以及铅电极表面溶液饱和度有关。
在低温及电流密度、硫酸浓度高时,使负极表面溶液饱和度过高,钝化层随之变厚。
所以很易造成蓄电池因放电困难而失效。
负极板的钝化表现为既充不进电也放不出电。
温度对上述
(一)
(二)(三)诸因素影响的机理及程度涉及到电化学热力学、电化学动力学、半导体物理学、金属物理学等方面的理论,仍在进一步研究之中。
但高温确实会使蓄电池中的添加剂氧化失效,引起活性物质脱落,负极钝化使蓄电池早期的容量衰减速度加快。
这种早期容量衰减,将导致铅酸蓄电池寿命缩短,可靠性变差。
(四)正极板腐蚀
根据化学热力学原理,环境温度过高,铅酸蓄电池放电深度越大,电解液密度越高,板栅腐蚀越剧烈;
储存时间愈长,腐蚀层越厚。
伴随着板栅腐蚀而产生板栅变形拉伸,其结果使板栅抗张强度变小。
活性物质脱落,当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时,板栅电阻增大,使电池容量下降,容量下降20%蓄电池就算失效了。
如前所述,由于蓄电池是一个电化学容器,对环境温度变化极为敏感,环境温度既影响蓄电池的寿命也影响蓄电池的容量,这两者是密不可分的。
三、胶体铅酸蓄电池(阀控式铅酸蓄电池)发展
短短几年时间,铅酸蓄电池在太阳能灯具中得到了广泛应用。
鉴于VRLA铅酸蓄电池在自然环境下全天候工作而面临的耐候性较差(-20℃~40℃)的问题,成功地开发出自主知识产权的耐候性较好(-40℃~60℃)的胶体蓄电池,胶体蓄电池也属于阀控式铅酸蓄电池,胶体铅酸蓄电池采用了富液设计方案,比VRLA铅酸蓄电池多加了20%的酸液,极群组周围及槽体之间充满凝胶电解质,有较大的热容量和好的散热性。
胶体蓄电池受温度影响较小,能克服以上三种早期容量损失,并具备以下优势:
(一)采用特殊的非液非胶电解质,提高装配压力(正极板表面的压力),装配压力25—60Kp,抑制正极板活性物质的软化脱落。
设计合理的控制阀,增加氧气复合,减少失水,提高电池寿命(在各种环境中可以提高寿命二倍以上)。
(二)采用特殊的板栅结构(正负板栅质量比1:
0.75)、工艺手段及材料配方,有机和无机添加剂。
形成微孔结构的板栅,增大了电极与电解质的反应界面,降低接触电阻,减小了电极的极化,大幅度提高电极的活性物质利用率、提高了充电效率,增大电池放电和输出功率,有效的成倍延长电池寿命,全面提高电池性能。
(三)正极板栅采用Pb-Ca-Sn-Al-Sb-Zn-Cd其中的组合多元合金,负极板栅采用铅钙锡铝高氢过电位材料板栅和涂膏成型的电极板,容量大、寿命长。
铅锡多元合金集流排,内阻小,耐腐蚀,可经受长期浮充使用,分析纯极电解质,自放电小。
(四)采用新技术、改进板栅材配方,提高抗蠕变及抗腐蚀性能,适当提高Pb-Ca合金中的Sn、Ag含量,可以提高抗蠕变性能。
(五)采用低阻多孔PE隔板,极板设计要给电池壳中留出富液空间,酸液不外溢、不污染环境、不腐蚀设备机件,可以顺利进行气体阴极吸收。
提高极群组的压力,紧装配,可以延长蓄电池寿命。
(六)电池壳盖采用迷宫式特殊设计的透气阀,和特殊的添加剂,减少了水份的散失。
(七)采用适当的添加剂,有利于保持负极的正常充电状态,避免负极硫化并减小负极自放电。
所以在保持负极正常充电状态的同时,也降低了正极极化电位,从而降低了正极板栅的腐蚀速度,利于延长寿命。
设计选用的是6GFM系列的铅酸电池
一、6GFM系列阀控密封式铅酸蓄电池符合如下标准:
JISC8707-1992阴极吸收密封固定型铅蓄电池标准
JB/T8451-96中华人民共和国机械行业标准
YD/T799-2002中华人民共和国通信行业标准
DL/T637-1997中华人民共和国通信行业标准
二、主要特点;
1、免补水、维护简单
采用特殊设计克服了电池在充电过程中电解失水的现象,电池在使用过程中电液体积和比重几乎没有变化,因此电池在使用寿命期间完全无需补水,维护简单。
2、密封安全、安装简单
电池内没有流动的电液,电池立式、侧卧安装使用均可,无电液渗漏之患,而且在正常充电过程中电池不会产生酸雾。
因此可将电池安装在办公室或配套设备房内,而无需另建专用电池房,降低工程造价。
3、使用寿命长采用了耐腐性良好的铅钙合金板栅,在25℃的环境温度下,正常浮充寿命可达12年以上。
4、高功率放电性能好采用了内阻值很小的优质极板和玻纤隔板,而且装配较紧,使得电池内阻极小。
在-40℃~60℃温度范围内进行大电流放电,其输出功率比常规电池可高出15%左右。
三、产品规格:
产品规格如图2.1所示
图2.1产品规格
温度与放点容量关系如图2.2所示
图2.2
恒压充电特性(25°
C)如图2.3所示
6GFM系列密封电池要求采用限流恒压的充电方法进行充电。
在环境度为25℃的条件下,最佳的浮充电压为13.6±
0.1V台X台数,充电开始时的电流应限制在0.25C10A的范围内。
图2.3
25°
C放电特性曲线如图2.4所示
图2.4
电池储存时的自放电曲线如图2.5所示
图2.5
2.1.3单片机的介绍与选取
设计选用的是at89C2051单片机,at89c2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
程序保密89C2051设计有2个程序保密位,保密位1被编程之后,程序存储器不能再被编程除非做一次擦除,保密位2被编程之后,程序不能被读出。
软硬件的开发89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统。
(1)由于89C2051内部程序存贮器为Flash,所以修改它内部的程序十分方便快捷,
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