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(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

一、引言

隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資源枯竭的日趨嚴(yán)重，新能源和清潔的可再生能源的開發(fā)將成為影響世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。其中，太陽能能否在未來被充分的開發(fā)和利用已成為世界各國(guó)政府及科研機(jī)構(gòu)必須面臨的挑戰(zhàn)，作為其中之一的太陽能發(fā)電技術(shù)，更是受到人們的普遍關(guān)注。如今，太陽能發(fā)電技術(shù)被大規(guī)模的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，這都是因?yàn)樘柲馨l(fā)電具有許多其他能源無法具有的優(yōu)點(diǎn)，其中就包括沒有噪聲，不消耗燃料，不需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不需要專門的看守人員，建造方便，維護(hù)方便，故障率低，規(guī)?？纱罂尚。恍枰h(yuǎn)程傳輸，可方便地與各種器械設(shè)施或建筑相結(jié)合等。近年來，太陽能發(fā)電技術(shù)在全世界飛速發(fā)展。例如，美國(guó)、歐洲及日本制定了龐大的光伏發(fā)電發(fā)展計(jì)劃，世界光伏市場(chǎng)開始由邊遠(yuǎn)的農(nóng)村和特殊應(yīng)用向家用發(fā)電和大規(guī)模使用的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)由補(bǔ)充能源向替代能源轉(zhuǎn)變。

迫于全球性日益嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染，使得光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，更是一個(gè)環(huán)境保護(hù)和能源替代的問題。目前光伏產(chǎn)業(yè)主要應(yīng)用在并網(wǎng)和未連網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域，而消費(fèi)類產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例非常少，如目前還沒有真正有效地利用太陽能充電的手機(jī)電池。使用手機(jī)的人都有過這樣的經(jīng)歷：外出時(shí)手機(jī)電池突然沒有電了，因充電器不在身邊或找不到可以充電的地方，影響了手機(jī)的正常使用。為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)和研究了一套太陽能手機(jī)充電系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。因此太陽能作為一種易取的綠色能源若能應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品中，對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ钐峁┝藰O大的便利，對(duì)于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義。

二、多功能太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

太陽能充電器的設(shè)計(jì)，以太陽能電池板為能源核心對(duì)硬件電路進(jìn)行供電，整個(gè)系統(tǒng)由太陽能電池板、升壓電路、穩(wěn)壓電路等組成。本設(shè)計(jì)采用太陽能電池板對(duì)二極管進(jìn)行供電同時(shí)可進(jìn)行升降壓變換輸送到三端穩(wěn)壓器，經(jīng)其輸出滿足各種手機(jī)充電的充電電壓并對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。同時(shí)設(shè)計(jì)了含有可調(diào)電阻的太陽能充電電路，對(duì)手機(jī)充電時(shí)所需的電壓大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本太陽能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)中是利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能，其電能通過穩(wěn)壓器可直接給手機(jī)電池充電，也可將電能儲(chǔ)存于蓄電池，在無太陽光時(shí)對(duì)手機(jī)充電。其基本工作流程圖如下：

圖1 太陽能充電系統(tǒng)工作流程圖

太陽能電池板在使用的時(shí)候，由于太陽光線的變化比較大，并且受溫度的影響，所以輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流小，不過只要利用充電控制電路將太陽能電池板輸出的直流電壓變換后供給手機(jī)充電即可。在光線條件適宜的時(shí)候，通過太陽能電池板吸收太陽光，就可以將光能轉(zhuǎn)換為電能。

三、多功能太陽能充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(一)太陽能充電系統(tǒng)原理圖

無論白天黑夜只要有光線照射到太陽能電池板上，經(jīng)過光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)換原理將電池板所吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰鹘?jīng)具有防倒流作用的二極管D9，到達(dá)LM2577-ADJ和附加功能部分。其中LM2577-ADJ是一個(gè)將電壓的大小進(jìn)行升降變換的裝置，RC為輸出電壓可調(diào)電位器，根據(jù)負(fù)載所需電壓的大小來調(diào)節(jié)RC數(shù)值的大小。這部分輸出的電壓一部分提供給外用電器；而附加功能部分主要有戶外照明和驗(yàn)鈔這兩部分構(gòu)成，它們的控制是由一個(gè)帶有自鎖功能的六角開關(guān)來實(shí)現(xiàn)關(guān)斷的。另一部分輸送到電路的穩(wěn)壓部分進(jìn)行穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，由LM7805的1端口進(jìn)入，3端口輸出，2端口是是一個(gè)接地保護(hù)，此時(shí)電源指示燈亮起，電路導(dǎo)通到達(dá)USB端口，連接手機(jī)數(shù)據(jù)線用萬用表測(cè)出輸出電壓的大小，根據(jù)待充手機(jī)電池的額定電壓調(diào)節(jié)RC的大小到所需要的額定電壓后將手機(jī)接入電路，此時(shí)就實(shí)現(xiàn)了充電的過程?？梢苑謩e放在不同強(qiáng)度的光線下進(jìn)行充電測(cè)試，并記錄電壓、電流等數(shù)據(jù)。

圖2 太陽能充電系統(tǒng)原理圖

(二)太陽能電池板充電電路

圖3 太陽能電源板充電池電路

電路分析：

太陽能電源板在空載時(shí)發(fā)電電壓有6V之高，但受發(fā)電功率的影響他提供的電流很小，一般在33mA左右，33mA的電流對(duì)D9沒有構(gòu)成安全威脅。

電源板電壓6V電池電壓3.7V，太陽能電源板的功率很低，太陽能電源板與電池連接的充電電路一定要簡(jiǎn)單，否則會(huì)造成轉(zhuǎn)換效率很低，失去了太陽能的意義。本電路選擇直接通過低壓降的肖特基整流2極管D9連接升降壓，這時(shí)D9的電流還是很小功耗很低，D9可以承受并且安全使用。

在D9肖特基整流2極管上耗散的功率計(jì)算。

太陽能的平均輸出功率在200mW左右，D9的壓降在0.4V左右，則D9上的功耗是：P=0.4V/(0.4V+3.7V)X0.2W=0.02W，在安全的范圍內(nèi)。

四、太陽能電池的主要參數(shù)及影響因素

(一)太陽能電池的主要參數(shù)

太陽能電池的幾個(gè)重要技術(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)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流

4.最大功率點(diǎn)電壓(VSC)：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓

5.最大輸出功率(PM)：在給定日照和溫度下太陽能電池可能輸出的最大功率

(5-1)

7.太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率PM與陽光投射到電池表面上的功率PS之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用太陽能電池的最大效率值作為其效率η，

η=ηMPPT=PM=PS

(5-2)

(二)影響因素

1.太陽的光照強(qiáng)度對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響

太陽能電池陣列的輸出短路電流(ISC)和最大功率點(diǎn)電流(IM)隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大，也就是說式(5-1)中ISC強(qiáng)烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對(duì)陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對(duì)為電流與電壓相乘的結(jié)果最大輸出功率來說，變化顯著。

2.溫度對(duì)太陽能電池輸出特性的影響

溫度對(duì)太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對(duì)它的輸出開路電壓影響較大。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯。

綜上所述，太陽能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)：

(1)太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時(shí)近似為恒壓源；

(2)開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強(qiáng)度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化；

(3)輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)MPP(Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化。

五、太陽能充電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

圖4是本文所設(shè)計(jì)的太陽能手機(jī)充電器對(duì)某款手機(jī)鋰電池充電的電壓與時(shí)間關(guān)系曲線。其中太陽能電池板輸出約為6V 左右，數(shù)據(jù)為每分鐘測(cè)量和記錄一次，最后再經(jīng)過excel軟件處理而得的。從圖中可以看出，充電過程基本上經(jīng)過了恒壓充電過程，從電壓與時(shí)間關(guān)系曲線來看，后項(xiàng)有一段恒壓充電，同時(shí)恒壓穩(wěn)定在4.24v，完全沒有出現(xiàn)過壓充電的現(xiàn)象。從充電精度看，對(duì)此4.25v 的鋰電池來說，精度達(dá)到了0.24%，完全在充電精度要求范圍內(nèi)。并且充電時(shí)間在200分鐘左右，與普通充電器的充電時(shí)間相當(dāng)。由此可見，該太陽能充電系統(tǒng)可以基本滿足鋰電池充電需求，并且可以取代普通充電器。

圖4 充電電壓與充電時(shí)間關(guān)系曲線

六、結(jié)語

本文所述太陽能充電器的設(shè)計(jì)與研究，以太陽能電池板為能源核心對(duì)硬件電路進(jìn)行供電，整個(gè)系統(tǒng)由太陽能電池板、升壓電路、穩(wěn)壓電路等組成。本設(shè)計(jì)采用太陽能電池板對(duì)二極管進(jìn)行供電同時(shí)可進(jìn)行升降壓變換輸送到三端穩(wěn)壓器，經(jīng)其輸出滿足各種手機(jī)充電的充電電壓并對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電。同時(shí)設(shè)計(jì)了含有可調(diào)電阻的太陽能充電電路，對(duì)手機(jī)充電時(shí)所需的電壓大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文所提出的太陽能充電系統(tǒng)最大限度地利用了太陽能，實(shí)現(xiàn)了能源的綠色化。同時(shí)該手機(jī)充電器的充電效率為0.24%，充電時(shí)間約為200分鐘，由此可知本文所述太陽能充電系統(tǒng)可以取代普通充電系統(tǒng)。通過對(duì)太陽能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)與研究，可以喚醒人們對(duì)環(huán)境的珍惜，使用綠色能源保護(hù)地球。也對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钐峁┝藰O大的便利。

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