Материал: Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели

Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели

Министерство образования и науки и ЛНР

Донбасский государственный технический университет

Факультет автоматизации и электронных систем

Кафедра радиофизики и электроники

Выпускная квалификационная работа

Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели

Студент 4 курса

Дьяченко В.Е.

Научный руководитель

ст. пр. Литвинов А.И.

Допущен к защите

Заведующий кафедрой Мурга В.В.

г. Алчевск

г.

Аннотация

УДК 621.314.1

Дьяченко В.Е. Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели. Выпускная квалификационная работа. - Алчевск: ДонГТУ, 2015. - 133 с.

Работа посвящена разработке и исследованию универсального контроллера заряда аккумуляторных батарей от солнечной панели. В процессе исследований были рассмотрены особенности солнечных элементов и выбран тип солнечной панели. Проведен анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда АКБ от солнечных панелей. Разработана схема структурная, схема электрическая принципиальная и конструкция устройства. Проведено имитационное моделирование разработанного устройства и осуществлено определение его основных характеристик.

Annotation

V.E. The controller battery charge from solar panel. Final qualifying work. - Alchevsk: DonSTU, 2015. - 133 p.work is dedicated to the development and research of universal controller battery charge from solar panel. During the study were considered especially solar cells and solar panel type is selected. The analysis of the model of circuit design solutions and controllers charge batteries from solar panels. The scheme of structural, electrical schematic diagram and design of the device. A simulation device designed and implemented the definition of its basic characteristics.

Содержание

Введение

. Аналитический обзор

.1 Солнечная энергетика

.2 Солнечные элементы и их структура

.3 Характеристики солнечных элементов

.4 Основные элементы солнечной электростанции и их особенности

.4.1 Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

.4.2 Контроллер заряда аккумуляторных батарей

.4.3 Инвертор

.5 Существующие схемотехнические решения устройств преобразования солнечной энергии

.5.1 Простые схемотехнические решения

.5.2 Cхемотехнические решения средней сложности

.5.3 Сложные схемотехнические решения

Выводы по разделу

. Разработка структурной схемы

. Разработка алгоритма работы устройства

. Разработка устройства и расчет его элементов и узлов

.1 Выбор солнечной панели

.2 Выбор импульсного преобразователя

.3 Выбор микроконтроллера

.4 Выбор и вычисления компаратора с гистерезисом

.5 Выбор умножителя

4.6 Выбор цифро-аналогового преобразователя

.7 Выбор аналого-цифрового преобразователя

.8 Датчик тока

4.9 Датчик напряжения

4.10 Выбор устройства индикации

. Расчет печатной платы устройства и электронного функционального узла устройства

.1 Определение требований к механическим и климатическим воздействиям

.2 Выбор элементной базы и предварительная компоновка конструкции электронного устройства

.3 Разработка конструкции печатной платы

.4 Разработка конструкции печатного узла

.5 Выбор условий охлаждения и расчет теплового режима

.6 Расчет теплового режима блока в герметичном корпусе

5.7 Расчет надежности устройства

. Имитационное моделирование работы устройства

.1 Принцип работы импульсного преобразователя постоянного напряжения ИППН

6.2 Имитационная модель ИППН

7. Охрана труда

.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

.2 Инструкция по охране труда аккумуляторщика

.2.1 Общие положения

.2.2 Требования безопасности перед началом работы

.2.3 Требования безопасности во время выполнения работы

.2.4 Требования безопасности после окончания работы

.3 Пожарная безопасность

Выводы по разделу

. Технико-экономическое обоснование производства

.1 Определение себестоимости изготовления и цены устройства

.1.1 Расчет затрат на материалы, полуфабрикаты и комплектующие

.1.2 Расчет фонда заработной платы производственных рабочих

.1.3 Расчет отчислений на социальные мероприятия

.1.4 Составление калькуляции себестоимости и определения цены изделия

.2 Разработка сетевого графика технической подготовки производства электронного устройства

Выводы

Перечень ссылок

Приложения

Введение

Сложная энергетическая и экологическая ситуация, сложившаяся в современном мире, в результате высокого уровня потребления электроэнергии, заставляет науку и промышленность искать интенсивные пути решения проблем создания альтернативных источников электроэнергии. Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является преобразование солнечной энергии в электрическую. В контексте решения этих проблем большое значение приобретает разработка и внедрение устройств для питания различных видов потребителей от солнечных батарей.

Актуальность темы. Существующие в настоящее время контроллеры для работы с солнечными панелями имеют различные схемотехнические и конструкторские решения, КПД, стоимость и массогабаритные характеристики. Большую актуальность на сегодняшний день приобретают устройства для заряда аккумуляторных батарей в различной радиоэлектронной аппаратуре.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка универсального контроллера заряда аккумуляторных батарей от солнечной панели, по критерию минимальной стоимости, высокой надежности изделия, с учетом максимальной эффективности - КПД.

В соответствии с этой целью в работе решаются следующие задачи:

·     рассмотреть особенности солнечных элементов, выполненных по поликристаллической и монокристаллической технологии и выбрать тип солнечной панели;

·        провести анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда АКБ от солнечных панелей;

·        разработать схему структурную и схему электрическую принципиальную универсального контроллера заряда для АКБ, выполненных по различной технологии (Ni-Cd, Li-Ion, Ni-Mh), имеющих разную ЭДС и ёмкость;

·        разработать конструкцию устройства заряда АКБ от солнечных панелей, осуществив при этом компоновку, размещение элементов и разработку печатной платы радиоэлектронного функционального узла (РЭФУ);

·        для обеспечения низкой стоимости и высокой надежности устройства применять элементы высокой степени интеграции, простые схемотехнические и конструкторские решения, с учетом необходимого уровня функциональности изделия;

·        провести имитационное моделирование разработанного устройства и осуществить определение его основных характеристик.

Объект исследования. Объектом исследования в данной работе являются электрохимические зарядно-разрядные процессы, происходящие в аккумуляторных батареях.

Предмет исследования. Контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечной панели.

Практическое значение результатов. Возможность заряда аккумуляторов различных типов - Ni-Cd, Li-Ion, Ni-Mh, имеющих разную ЭДС и ёмкость. Данное устройство можно использовать, также, для питания всевозможной радиоэлектронной аппаратуры: мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков, навигаторов, видеокамер, мобильных осветительных установок, имеющих существенно отличающиеся характеристики по устройству питания.

1. Аналитический обзор

.1 Солнечная энергетика

Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в любом виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производит вредных отходов.

Существует два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. Первый способ более широко используемый, а другой высокотехнологичный, но дороже.

Наиболее широко на сегодня используется фототермический способ преобразования солнечной энергии. В данном случае теплоноситель, обычно вода, нагревается до высокой температуры и используется для отопления помещения. Солнечная батарея устанавливается на крыше дома так, чтобы солнечный свет был наиболее эффективно направлено на его площадь. Поскольку энергия солнечного излучения распределяется на большую площадь (то есть, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь устройство для ее сбора - коллектор с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода - это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. Между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и др. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающей среды. В этом проявляется так называемый парниковый эффект.

Фотоэлектрический способ. По мнению экспертов, будущее солнечной энергии связанно с прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей.

В фотоэлектрических преобразованиях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов.

Эффективность современных кремниевых фотоэлементов достаточно высока. Их КПД достигает 10-20%, а чем выше КПД, тем меньше нужна площадь солнечных батарей.

Используя энергию солнца, можно ежегодно экономить традиционные источники отопления:

до 75% - для горячего водоснабжения в течение года;

до 95% - для горячего водоснабжения при сезонном использовании;

до 50% - только с целью отопления;

до 80% - с целью поочередного отопления.

Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства.

.2 Солнечные элементы и их структура

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество (рис. 1.3).

Большая часть СЭ, выпускаемых коммерчески, изготавливается из кремния (химический символ Si).

Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, является диоксидом кремния, также известного под именем "кварцит". Другая область применения кремния - электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Прежде всего, в СЭ есть задний контакт и 2 слоя кремния различной проводимости.

Сверху есть сетка из металлических контактов и антибликовое покрытие просветляющее которое дает СЭ характерный синий оттенок.

Рисунок 1.1 - Структура солнечного элемента из кремния: 1 - свет (фотоны); 2 - лицевой контакт; 3 - отрицательный слой; 4 - переходный слой; 5 - положительный слой; 6 - задний контакт.

.3 Характеристики солнечных элементов

Способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873 г., Когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов.

В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Преобразование энергии в солнечных элементах основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Использовать энергию солнечных элементов можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества, падающего на его поверхность света. Например, набежали облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут разброс выходных параметров элементов одной партии. Итак, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току.

Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами, для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ) изображенных на рис 1.4.

Рисунок 1.2 - ВАХ кремниевых солнечных элементов

Напряжение холостого хода, генерируемого одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы производителя к другой и составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. Ток зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым имеется в виду площадь его поверхности.

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялась 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токо-съемочными сетями, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простой батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно соединить параллельно, получив так называемое последовательно - параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагревании элемента на один градус свыше 25°С он теряет в напряжении 0,002 В, то есть 0,4%/градус. На рисунке 1.5 приведены семейство кривых В АХ для температур 25 ° С и 60°С.

Рисунок 1.3 - Семейство кривых ВАХ для температур 25°С и 60°С.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70°С теряя 0,07-0,09В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16%. Это означает, что элемент размером 100x100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие:

освещенность 1000 Вт / м;

температура 25°С;

спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45°С).

.4 Основные элементы солнечной электростанции и их особенности

.4.1 Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

Солнечные батареи - это звено солнечной электростанции, которое производит электрическую энергию (постоянный ток) под действием солнечного света фотонов, поступающих при прямом и рассеянном солнечном излучении. Общая мощность солнечных батарей и их количество зависят от того, сколько электроэнергии нужно в сутки. Совершенно очевидно, что чем больше электроэнергии нужно, тем более должны производить солнечные батареи за световой день, и тем больше должна быть их общая мощность. Поэтому, общая мощность солнечных батарей определяется суточной потребности дома в электрической энергии.