史永京,錢 晨,孟 雪,高羅絲,史少霞
(南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,江蘇 南京210046)
隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快,人們的生活正在向著一種便攜化方向發(fā)展,同時(shí)人們也越來(lái)越注重廢物再利用以及節(jié)能環(huán)保,比如筆記本電腦淘汰后其中的拆機(jī)電池經(jīng)過(guò)篩選后仍有很高的利用價(jià)值。本文從低碳環(huán)保的角度出發(fā),將拆機(jī)電池與非晶硅太陽(yáng)能電池板結(jié)合,并使用菲涅爾透鏡,制作成高效便攜式充電器,滿足人們?cè)跓o(wú)市電的情況下,對(duì)手機(jī)、MP3等常用小電器充電的需求。
整體方案設(shè)計(jì)分為3個(gè)模塊,即電池管理模塊、DC-DC升壓模塊和太陽(yáng)能充電管理模塊。
筆記本電腦中常用的18650可充電電池具有以下一些特性。單節(jié)標(biāo)稱電壓一般為:3.7V;最小放電終止電壓一般為:2.75V;最大充電終止電壓:4.20V;容量:1500mAh以上。四芯電池一般有2種情況:四個(gè)串聯(lián)和兩串聯(lián)兩并聯(lián)。其中,四個(gè)串聯(lián)電池組最終標(biāo)示參數(shù)為:14.8V/2200mAh(14.8V=3.7V×4),串聯(lián)時(shí)輸出電流不變;而四個(gè)電芯分兩組,兩兩串聯(lián)后再并聯(lián),電池組最終標(biāo)示參數(shù)為:7.4V/4400mAh(7.4V=3.7V×2)?,F(xiàn)在市場(chǎng)中12.1吋、13.3吋等尺寸的筆記本多為兩串聯(lián)兩并聯(lián)電池組。
簡(jiǎn)易電池容量測(cè)試儀的工作原理:使用AT89C2051單片機(jī)作為主控芯片,電池供電全部集中在電路中的大功率電阻,電路可以分別提供600mA和1200mA兩種工作電流,使用晶振來(lái)記錄放電時(shí)間,按下啟動(dòng)按鈕即開始計(jì)時(shí)并通過(guò)電路內(nèi)部預(yù)置了積分電路進(jìn)行積分,同時(shí)顯示電路將顯示出所累積的電量。電池電量耗盡后蜂鳴器提示測(cè)量電量完畢,此時(shí)顯示的數(shù)值即為這段時(shí)間內(nèi)電池放電量。測(cè)量前,先將單節(jié)18650鋰電池充滿電,用上述方法放電完畢,得出的放電量即為電池容量。表1是對(duì)回收的30節(jié)拆機(jī)電池進(jìn)行電池電量測(cè)試得出的數(shù)據(jù)。
表1 拆機(jī)鋰離子電池電量測(cè)試 mAh
其中有16塊電池的電量超過(guò)1000mAh,具有極高的利用價(jià)值。本文中的充電器正是基于這16塊拆機(jī)電池而作進(jìn)一步研究。
為更精確地顯示18650拆機(jī)電池的電量與電壓關(guān)系,如表2所示。
表2 單節(jié)18650放電曲線測(cè)量
測(cè)量出拆機(jī)電池的容量-電壓曲線,得到曲線如圖1。
圖1 單節(jié)18650放電曲線
本模塊作為與電池直接相連的核心模塊,主要運(yùn)用TP4057完成充電管理和CN1185實(shí)現(xiàn)電量顯示部分,另外在電路顯示部分通過(guò)電壓和容量的曲線用電壓判斷容量分四段顯示,提高電量顯示精準(zhǔn)度。
通過(guò)對(duì)DCDC變化電路的研究,PT1301能在較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效地工作,不需要外部補(bǔ)償電路,并且單片PT1301轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)90%。
3.3.1 太陽(yáng)能電池材料的選擇
太陽(yáng)電池分類及性能比較如表3。
表3 太陽(yáng)電池分類及性能
通過(guò)上述比較,非晶硅太陽(yáng)能電池板在市場(chǎng)中的應(yīng)用更加適合市場(chǎng)要求:攜帶方便,輕巧,環(huán)保無(wú)污染,并且比非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池價(jià)格低。
3.3.2 太陽(yáng)能電池理論分析比較
(1)單晶硅太陽(yáng)能電池。
不同單晶硅太陽(yáng)能電池的最佳效率比較如表4。
表4 不同單晶硅太陽(yáng)能電池的最佳效率
假設(shè)當(dāng)太陽(yáng)能電池板的面積為11cm×7cm=77cm2時(shí),有
對(duì)于c-Si:
對(duì)于GaAs:
對(duì)于InP:
幾種材料性能比較如表5。
表5 不同材料性能
四塊串聯(lián)材料性能比較如表6。
表6 四塊串聯(lián)時(shí)材料性能
可見單晶硅太陽(yáng)能電池板有很高的轉(zhuǎn)換效率,但是隨著科技的進(jìn)步,非晶硅太陽(yáng)能電池板的輕便性能受到關(guān)注。
(2)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池板。
通過(guò)模擬法得到的太陽(yáng)電池修正結(jié)果,ISC=25.4mA/cm2短路電流密度,VOC=0.48V開路電壓,F(xiàn)f=0.68填充因子,η=7.7%轉(zhuǎn)化效率。
對(duì)于最佳設(shè)計(jì):a-Si/μC-Si二端子級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池,前提條件:當(dāng)?shù)撞侩姵氐摩藽-Si膜厚度為0.3μm時(shí),a-Si的最佳膜厚為0.4μm。其綜合輸出特性參數(shù)如下:
其中,JSC=16.3mA/cm2短路電流密度,VOC=1.45V開路電壓,F(xiàn)f=0.778填充因子,轉(zhuǎn)換效率η=18.4。
當(dāng)太陽(yáng)能電池板的面積S為10cm×10cm時(shí),
有:短路電流=電路電流密度×面積,ISC=JSC×S=16.3×100=1.63A,
此時(shí)是理想情況下的輸出功率??紤]到中間過(guò)程中的損耗及隨著太陽(yáng)光強(qiáng)度變化,會(huì)發(fā)生變化,Pmax也會(huì)發(fā)生變化,其中Pin隨光強(qiáng)變化曲線如圖2所示。
圖2 Pin隨光強(qiáng)變化曲線
當(dāng)轉(zhuǎn)化效率為η=18.4%,Pmax=1.8388W,Pin=對(duì)應(yīng)日照強(qiáng)度最強(qiáng)。進(jìn)而說(shuō)明了要達(dá)到最大輸出功率,在最高太陽(yáng)光入射強(qiáng)度時(shí),不能滿足其光強(qiáng)要求,所以又通過(guò)加菲涅爾透鏡,提高太陽(yáng)光照強(qiáng)度的必要性。
當(dāng)光強(qiáng)為0.6kW/m2以上時(shí),可以達(dá)到每天6h的充電量,假設(shè)光強(qiáng)為0.6kW/m2時(shí),Pmax=Pin×η=6×0.184=1.104W,可見多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的性能也是一種性價(jià)比極高的太陽(yáng)能電池板,但是由于現(xiàn)在生產(chǎn)比較昂貴,此文中制作便攜式充電器采用折中性能的非晶硅太陽(yáng)能電池板是最好的選擇。
(3)非晶硅太陽(yáng)能電池及設(shè)計(jì)。白天各個(gè)時(shí)刻非晶硅太陽(yáng)能電池板的開路電流如圖3所示,數(shù)據(jù)表格如表7所示(參數(shù):電池板面積16.4cm×7.4cm)。
圖3 白天非晶硅太陽(yáng)能電池板的短路電流
表7 白天非晶硅太陽(yáng)能電池板的開路電流數(shù)據(jù)
由于所用的非晶硅太陽(yáng)能電池板開路電壓2V,短路電流600~700mA,此課題制作的便攜式太陽(yáng)能充電器所需要輸出功率為2.5W,所以將3塊非晶硅太陽(yáng)能電池板串聯(lián),使開路電壓達(dá)到5V以上。
太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)圖(太陽(yáng)能電池板面積為16.4cm×7.4cm)如圖4所示。外加一個(gè)低值電阻分部分電壓,通過(guò)升壓電路即可把光能轉(zhuǎn)換成電能,存儲(chǔ)在鋰離子電池中,達(dá)到儲(chǔ)存光能的效果。
3.3.3 菲涅爾透鏡提高太陽(yáng)能吸收效率的研究
為將太陽(yáng)能電池充電效率提高,可以考慮將太陽(yáng)光匯聚在面積有限的太陽(yáng)能電池板上,而太陽(yáng)能聚光器是一種可以通過(guò)增加光留密度提高太陽(yáng)能電池效率的儀器,其又可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)分為透射式聚光器和反射式聚光器。本文中將采用的菲涅爾透鏡是一種透射式聚光器,輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關(guān)系見圖5。
圖4 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)圖
圖5 輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關(guān)系
表8為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(參數(shù):電池板面積8.2cm×7.4cm)。
表8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
(1)隨著菲涅爾透鏡面積的增加,聚光倍率增大,輸出功率增加,可增強(qiáng)為無(wú)菲涅爾透鏡時(shí)的15倍以上,因此在不燒壞PN結(jié)(P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體基底上,在它們的交界面形成的空間電荷區(qū)稱PN結(jié))的前提下,采用菲涅爾透鏡的聚光作用效果很好??紤]到太陽(yáng)能電池板可能被燒壞,需要在其下邊增加散熱材料,可以間接提高太陽(yáng)能電池板的功率。
(2)隨著菲涅爾透鏡面積的不斷增強(qiáng),在面積比達(dá)到10的時(shí)候,輸出光電流還在增強(qiáng),沒(méi)有達(dá)到飽和點(diǎn),說(shuō)明其利用價(jià)值非常高。
(3)非晶硅太陽(yáng)能電池板與電路參數(shù)的匹配。
將拆機(jī)電池回收利用,低碳環(huán)保;使用太陽(yáng)能電池充電,綠色能源利用;通過(guò)菲涅爾透鏡,有效提高太陽(yáng)能電池效率。拆機(jī)電池與非晶硅太陽(yáng)能電池的組合應(yīng)用具有很大的推廣應(yīng)用空間,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:體積小、重量輕、電池可折疊,方便攜帶;市電、太陽(yáng)能電池雙供電,便于野外工作;拆機(jī)電池原材料來(lái)源廣泛,且可利用價(jià)值高,節(jié)能環(huán)保;菲涅爾透鏡可同時(shí)用于引火等其他野外應(yīng)用。
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