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光伏充电器设计毕业论文设计 摘 要 太阳能是清洁无污染的可再生能源，利用太阳能是世界能源发展战略的重要内容之一，其中太阳能发电最受瞩目，而太阳能电池作为把太阳能转换为电能的功能型材料和器件已被广泛应用。本文主要阐述了光伏充电系统的设计，其中本设计中主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494。BUCK变换器结构简单，动态性能比较好；
TL494是典型的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制开关电源所需的全部功能，价格便宜。本设计中最关键的部分就是光伏电池的MPPT的控制方式，通过各种方式的优缺点比较，本课题中采用CVT（CVT：Constant Voltage Tracking）型最大功率点跟踪算法实现光伏阵列最大功率点跟踪，CVT型控制算法具有结构简单、良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用。
关键词：BUCK变换器；
TL494；
MPPT；
光伏电池 目 录 摘 要 I 目 录 II 第一章 绪 论 1 1.1引言 1 1.2光伏发电的国内外研究现状与趋势 1 1.2.1世界的光伏发电现状与趋势 1 1.2.2我国的光伏发电现状与趋势 2 1.2.3光伏产业的发展趋势 3 1.3本课题研究的主要的内容与目的 4 第二章 光伏电池特性 5 2.1光伏电池特性介绍 5 2.3 硅光伏电池的原理及其特性 5 2.3.1硅光伏电池的结构及工作原理 5 2.3.2硅光伏电池的特性 6 2.3.3硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响 8 第三章 最大功率点跟踪原理 11 3.1常用的最大功率点跟踪原理 11 3.2常用的最大功率点跟踪原理 11 3.2.1最大功率点追踪算法 12 3.2.2 扰动观察法(爬山法)及其改进自适应算法 12 3.2.3增量电导法 12 3.2.4 恒定电压法与短路电流法: 12 3.2.4滞环比较法 13 第四章 充电器电路设计 15 4.1 控制芯片TL494简介 15 4.1.1 TL494功能特性 15 4.1.2 TL494管脚配置及其功能 15 4.1.3 TL494的极限参数 16 4.2本设计光伏电池的MPPT控制方式 16 4.3光伏充电系统控制原理框图 17 4.4光伏充电系统主电路设计 18 4.4.1光伏充电系统主电路结构 18 4.4.2 主电路参数设计 18 4.5控制电路设计 19 第五章 实验结果与实验装置 23 5.1充电系统实验结果及实验装置 23 5.1.1 工作点调节实验波形 23 5.1.2 实验装置 24 第六章 与展望 27 6.1本课题的必要性 27 6.2本课题所作的主要工作 27 6.3 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录1 总电路图 30 附录2 实物图 31 第一章 绪 论 1.1引言 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有能源主要有3种，即火电、水电和核电。
火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；
二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助性的新能源。其中，最理想的新能源是大阳能。
1.2光伏发电的国内外研究现状与趋势 光伏发电的国内外是一种朝阳产业，不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。太阳能光伏发电在国民经济中的作用和影响已越来越大，光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界许多国家的高度重视。
1.2.1世界的光伏发电现状与趋势 日本利用其电子技术优势，大力发展光伏发电产品，其产量已经相当于全球产量的50 %以上；
德、日、英、荷、美等国企业基本垄断了全球的光伏发电产品市场，出口额占世界贸易额的80 %以上。据欧盟估计，全球光伏市场将从现今的3 000 Mw 增加到2020年的70GW。(w 为峰瓦)，光伏发电将解决非洲30% 、经济合作与发展组织(OECD)国家10% 的电力需求。当2010年欧洲风力发电达到约40 GW、光伏发电3GW 和太阳能集热器100 Mm 时，总计可提供154～ 167万个就业机会。日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始以个人住宅为对象，实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有1000户家庭、2000年时有7万户家庭装上太阳能发电设备。据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80％装上太阳能发电设备，便可满足全国总电力需要的14％，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30％－40％。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统，需600万至700万日元，还未包括安装的工钱。有关专家认为，至少要降到100万到200万日元时，太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。
不久前，美国德州仪器公司和SCE公司宣布，它们开发出一种新的太阳电池，每一单元是直径不到1毫米的小珠，它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上，就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50平方厘米的面积上便分布有1，700个这样的单元。这种新电池的特点是，虽然变换效率只有8％—10%，但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实，可以像布帛一样随意折叠且经久耐用，挂在向阳处便可发电，非常方便。据称，使用这种新太阳电池，每瓦发电能力的设备只要15至2美元，而且每发一度电的费用也可降到14美分左右，完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上，每年就可获得一二千度的电力。
世界能源组织对太阳能光伏发电的未来发展做出如下预测：2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%，2040年占总发电量的20%。欧洲光伏工业协会(EPIA)对光伏发电的预测为：2020年世界太阳能光伏组件年产量将达到40GWp，光伏发电总装机容量195GWp，发电量274TWh，占全球发电量的1％，太阳电池的组件成本下降到1美元IWp；
2040年光伏发电量7368TWh，占全球发电量的21%。2020年世界的光伏发电累计装机容量将达到200GWpa。其中美、日、欧安装总量超过世界总量的50%%。随着光伏市场和产业的快速发展，光伏发电的成本也随之下降并逐步接近和达到常规发电成本水平。近年来光伏发电发展速度比以前任何时候预测的要快得多，因此光伏发电成本的下降速度也比以前预测的要快，尽管近年来多晶硅材料短缺减缓了成本的下降速度。如预测的那样，随着常规发电成本的不断提高，到2020年左右光伏发电与常规发电相比，完全具有竞争能力。
综上所述，世界各种权威机构对可再生能源替代速度和光伏发电未来前景的预测具有高度一致性。我们有理由相信这些预测结果具有很高的科学性和可信度，因而具有重要的参考价值。这些预测充分说明可再生能源替代化石燃料的紧迫性和必然性，说明光伏发电未来的重要战略地位。
1.2.2我国的光伏发电现状与趋势 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米４千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米７千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家10-15年，甚至明显落后于印度。但是，我国光伏产业正以每年30%的速度增长，2006年底国内光伏电池生产能力已达450MW以上。在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。
1.2.3光伏产业的发展趋势 技术进步是降低光伏发电成本、促进光伏产业和市场发展的重要因素。几十年来围绕着降低成本的各种研发工作取得了显著成就，表现在电池效率不断提高、硅片厚度持续降低、产业化技术不断改进等方面，对降低光伏发电成本起到了决定性的作用。
商业化电池效率不断提高。先进技术不断向产业注入，使商业化电池技术不断得到提升。目前商业化晶硅电池的效率达到15%~20%（单晶硅电池16%~20%，多晶硅15%~18%）；
商业化单结非晶硅电池效率5%~7%，双结非晶硅电池效率6%~8%，非晶硅／微晶硅迭层电池效率8%~10%，而且稳定性不断提高。电池效率的提高是光伏发电成本下降的重要因素之一。
商业化电池硅片厚度持续降低。降低硅片厚度是减少硅材料消耗、降低晶硅太阳电池成本的有效技术措施，是光伏技术进步的重要方面。30多年来，太阳电池硅片厚度从1970年的450~500μm降低到目前的180~200μm，降低了一半以上。硅材料用量的大幅度降低是技术进步促进成本降低的重要范例之一。
产业化规模不断扩大。生产规模不断扩大和自动化程度持续提高是太阳电池生产成本降低的重要因素。太阳电池单厂生产规模已经从上世纪80年代的1~5MWp/年发展到90年代的5~30MWp/年，2006年25~500MWp／年，2007年25~1000MWp／年。对于太阳电池来说，30年统计的结果，是所有可再生能源发电技术中最大的，是现代集约化经济的最佳体现者之一。
光伏组件成本和发电大幅度降低。光伏组件成本30年来降低了2个多数量级。2003年世界重要厂商的成本为2~2.3美元/Wp，售价2.5-3美元/Wp，2004年以后因材料紧缺价格有所回升。其中技术的革新是促使产品成本降低的主要原因。
光伏工业专用设备制造业的发展。30年来光伏产业专用设备制造业的技术提升是光伏工业发展的重要标志之一，它对光伏工业发展和光伏发电成本降低起到举足轻重的作用。
1.3本课题研究的主要的内容与目的 本课题共分为五章节，首先第二章针对光伏电池的特性进行系统性分析，对光伏电池的原理、负载特性和输出特性曲线等深入掌握和了解，在以上基础上确定光伏充电器的系统结构，本设计即主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494；
其次第三章是对TL494的功能特点、引脚功能及数据、等方面的论述；
进而第四章是对各种MPPT控制方式的优缺点和使用中的问题分析和原理性介绍；
最后第五章是电路的总体性设计，包括主电路和控制电路。本设计的目的是根据太阳能光伏电池组件的P-V特性曲线，设计出一台太阳能光伏充电器，本充电器可实现太阳能电池组件最大功率点跟踪，使太阳电池组件输出功率最大。
光伏充电系统的原理图如图2.4所示，主电路采用BUCK变换器，控制电路核心采用的是TI公司电压型PWM控制芯片TL494。BUCK变换器结构简单，动态性能比较好；
TL494是典型的固定频率脉宽控制集成电路，它包含了控制开关电源所需的全部功能，价格便宜。
图1-1 光伏充电系统原理 第二章 光伏电池特性 2.1光伏电池特性介绍 太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。
按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。
光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在.为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。
2.3 硅光伏电池的原理及其特性 2.3.1硅光伏电池的结构及工作原理 单个硅太阳能电池外形结构如图2.1所示。这是一种N+/P型硅太阳能电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下，上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；
另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。
图2-1 硅太阳能电池外形结构图 硅太阳能电池的工作原理为：对于半导体材料而言，当其中的P-N结处于平衡状态的时候，在P-N结处会形成一个耗尽层，存在由N区指向P区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度(Eg)，即整个入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候，太阳光子照射入半导体内，把电子从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子-空穴对。因此，当能量大于禁带宽度的光子进入电池的N区、空间电荷区和P区中时，会激发产生光生电子-空穴对。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被推向N区，光生空穴被推向P区。在N区和P区中产生的光生电子-空穴对会向P-N结交界面处扩散，当达到势垒电场边界时，立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在N区，光生空穴留在P区。而在N区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到P区，P区中的光生电子同样被推到N区。最后就形成了N区中积累了过剩的电子，P区中积累了过剩的空穴，而在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。这就是所谓的“光生伏打效应”。当接上负载后，电流就从P区经过负载流向N区，负载即获得功率。
2.3.2硅光伏电池的特性 当有太阳光照射时，太阳能电池便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可将太阳能电池看作恒流电源。太阳能电池为PN结型二极管, 因为在光的照射下产生正向偏压，所以在PN结为理想状态的情况下，可根据图2.2表示的等效电路来考虑。
图2-2 理想状态的太阳能电池等效电路图 使用这种等效电路时，加给负载的电压V和流过负载的电流I之间的关系，可由下式给出：
(2.1) 式中：IF，IL是流过二极管的正向电流和光电流；
q是载流子的电荷；
k是玻耳兹曼常数；
T是温度[K]；
I0是二极管的饱和电流。
在实际的太阳能电池中，存在着与漏泄电流相当的二极管并联电阻Rsh，和串联电阻Rs。此时的等效电路可根据图2.4来描述: 图 2-3 实际太阳能电池等效电路图 其伏安特性可由下式给出：
(2.2) 式中：α是取决于PN结特性的常数，一般取该值近似于1。
将式(2.2)给出的太阳能电池的输出特性用曲线图表示出来，则得到图2.5。太阳能电池的伏安特性曲线是系统分析最重要的技术数据之一。从图中可以看出，它具有强烈的非线性。
太阳能电池的额定功率定义条件为：当日照S=1000W/m2，太阳电池温度T=25℃，大气质量AM=1.5时，太阳电池输出的最大功率便为它的额定功率，对应于图2.5中的M点。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”，记作“WP”。曲线上的M点表示在相应日照强度下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点(MPP)”。
假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于M点，根据公式RL=VM/IM 可以画出负载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。
图 2-4 太阳电池的输出特性 根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参数：
短路电流Isc(short circuit current)：当V=0时，对应的最大电流值；
开路电压Voc(open circuit voltage)：当I=0时，对应的最大电压值；
工作点(working point)：负载线与伏安特性曲线的交点。
特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。每一点都对应着负载电阻从太阳电池处获得的功率，即图中矩形0IMMVM0所围成的面积。当调节负载电阻的阻值RL时。总可以找到一点M，对应的IM·VM为最大，此时，称M点为最佳功率点，也称为最大功率点(Maximum Power Point,简记为MPP)。这一点所对应的电流IM为最佳工作电流，电压VM为最佳工作电压，负载RM为最佳负载电阻，PM功率为最大输出功率。
2.3.3硅光伏电池结温和日照强度对光伏电池输出特性的影响 由式(2.2)和等效电路可知日照强度和电池结温是影响太阳能电池阵列功率输出的最重要的参数，温度上升将使太阳能电池开路电压Voc下降，短路电流Isc则略微增大，如图2.5所示；
总体效果会造成太阳能电池的输出功率下降，如图2.6所示。注意这里是指太阳能电池结温的变化，而不是指环境温度。太阳能电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度，如图2.7所示。
图2-5 不同温度下的I-V曲线 图2-6 不同温度下的P-V曲线 图2-7太阳电池温度和日照强度之间的关系曲线 日照强度在极大的程度上影响太阳能电池阵列的输出电流。图2.8和图2.9给出了不同日照强度下典型的I-V和P-V特性。
图2-8不同日照强度下的I-V曲线 图2-9不同日照强度下的P-V曲线 由图2.8和图2.9中光伏电池在标准温度及标准光强下的P-V特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术是不能满足光伏电池最大功率输出要求的，从而使得MPPT控制技术更加适用。
第三章 最大功率点跟踪原理 “最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）简称“MPPT”，所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。
3.1常用的最大功率点跟踪原理 在人类面临严重能源问题和环保压力下，太阳能的利用越来越受到人们的重视。光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受太阳辐照度、环境温度负载情况影响。只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。由于目前光伏电池的光电转换效率比较低，为了有效利用光伏电池，对光伏发电进行最大功率跟踪显得非常重要。目前，国内外文献提出了多种跟踪方法其实质上是一个寻优过程，即通过太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。太阳能电池阵列的输出功率特性曲线如图3-1 图3-1光伏电池输出功率特性 由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点Vmax左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加；
当太阳能电池工作与最大功率点电压Vmax右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，MPPT控制也可以先根据采集到的太阳能电压电流值以及功率值来判断其运行在那个工作区，然后根据不通的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制. 3.2常用的最大功率点跟踪原理 最大功率点跟踪分为自寻优和非自寻优方法两大类型。其中，自寻优方法主要包括扰动观察法（爬山法）、增量电导法、恒定电压法或短路电流法以及基于爬或扰动观测法的改进自适应算法。非自寻优方法则主要包括曲线拟合法等。
3.2.1最大功率点追踪算法 由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，因此可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。其搜索算法可分为非自寻优和自寻优两别。所谓非自寻优算法是根据外界环境因素(如光照和温度)的变化，利用数学型或表方法确定最大功率点。该方法在实际中很少采用，本文不进行详述。自寻优算是不直接检测外界环境因素的变化，而是通过直接测量得到的电信号，判断最大率 点的位置，从而进行追踪。目前文献己提出的自寻优算法主要包括扰动观察法增量电导法、恒定电压法、短路电流法以及基于爬山法或扰动观测法的改进自适应算法。
3.2.2 扰动观察法(爬山法)及其改进自适应算法 扰动观察法是目前常用的最大功率跟踪方法，它通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值相比，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向扰动；
如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。扰动观察法的优点是简单可靠，容易实现，缺点是难以选择合适的步长：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；
步长过大，输出功率波动加大，其均值大大小于最大值，稳态误差变大。据此，文献[6]提出了一种改进自适应算法，通过加入步长a 的自动在线调整器使问题得到解决，同时保证系统的动、稳态性能。
3.2.3增量电导法 增量电导法也是MPPT 控制常用的算法，它能够判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系，对于功率P 有下式：P=I×V （1）将式（1）两端对V 求导，并将I 作为V 的函数，可得：dPdV= d(IV)dV=1+V dIdV（2）从式（2）可知，当dPdV>0 时，V 小于最大功率点电压；
当dPdV
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