拆机电池与非晶硅太阳能电池板的组合应用

史永京，钱 晨，孟 雪，高罗丝，史少霞

（南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京210046）

1 引言

随着现代社会生活节奏的加快，人们的生活正在向着一种便携化方向发展，同时人们也越来越注重废物再利用以及节能环保，比如笔记本电脑淘汰后其中的拆机电池经过筛选后仍有很高的利用价值。本文从低碳环保的角度出发，将拆机电池与非晶硅太阳能电池板结合，并使用菲涅尔透镜，制作成高效便携式充电器，满足人们在无市电的情况下，对手机、MP3等常用小电器充电的需求。

2 整体方案设计与电池介绍

2.1 整体方案简述

整体方案设计分为3个模块，即电池管理模块、DC－DC升压模块和太阳能充电管理模块。

2.2 18650拆机电池介绍

笔记本电脑中常用的18650可充电电池具有以下一些特性。单节标称电压一般为：3.7V；最小放电终止电压一般为：2.75V；最大充电终止电压：4.20V；容量：1500mAh以上。四芯电池一般有2种情况：四个串联和两串联两并联。其中，四个串联电池组最终标示参数为：14.8V／2200mAh（14.8V＝3.7V×4），串联时输出电流不变；而四个电芯分两组，两两串联后再并联，电池组最终标示参数为：7.4V／4400mAh（7.4V＝3.7V×2）。现在市场中12.1吋、13.3吋等尺寸的笔记本多为两串联两并联电池组。

2.3 18650拆机电池的检测

简易电池容量测试仪的工作原理：使用AT89C2051单片机作为主控芯片，电池供电全部集中在电路中的大功率电阻，电路可以分别提供600mA和1200mA两种工作电流，使用晶振来记录放电时间，按下启动按钮即开始计时并通过电路内部预置了积分电路进行积分，同时显示电路将显示出所累积的电量。电池电量耗尽后蜂鸣器提示测量电量完毕，此时显示的数值即为这段时间内电池放电量。测量前，先将单节18650锂电池充满电，用上述方法放电完毕，得出的放电量即为电池容量。表1是对回收的30节拆机电池进行电池电量测试得出的数据。

表1 拆机锂离子电池电量测试 mAh

其中有16块电池的电量超过1000mAh，具有极高的利用价值。本文中的充电器正是基于这16块拆机电池而作进一步研究。

为更精确地显示18650拆机电池的电量与电压关系，如表2所示。

表2 单节18650放电曲线测量

测量出拆机电池的容量－电压曲线，得到曲线如图1。

图1 单节18650放电曲线

3 各模块设计

3.1 电池管理模块

本模块作为与电池直接相连的核心模块，主要运用TP4057完成充电管理和CN1185实现电量显示部分，另外在电路显示部分通过电压和容量的曲线用电压判断容量分四段显示，提高电量显示精准度。

3.2 升压模块

通过对DCDC变化电路的研究，PT1301能在较宽的负载电流范围内稳定和高效地工作，不需要外部补偿电路，并且单片PT1301转化效率可高达90%。

3.3 太阳能电池模块

3.3.1 太阳能电池材料的选择

太阳电池分类及性能比较如表3。

表3 太阳电池分类及性能

通过上述比较，非晶硅太阳能电池板在市场中的应用更加适合市场要求：携带方便，轻巧，环保无污染，并且比非晶硅薄膜太阳能电池价格低。

3.3.2 太阳能电池理论分析比较

（1）单晶硅太阳能电池。

不同单晶硅太阳能电池的最佳效率比较如表4。

表4 不同单晶硅太阳能电池的最佳效率

假设当太阳能电池板的面积为11cm×7cm＝77cm2时，有

对于c－Si：

对于GaAs：

对于InP：

几种材料性能比较如表5。

表5 不同材料性能

四块串联材料性能比较如表6。

表6 四块串联时材料性能

可见单晶硅太阳能电池板有很高的转换效率，但是随着科技的进步，非晶硅太阳能电池板的轻便性能受到关注。

（2）多晶硅薄膜太阳能电池板。

通过模拟法得到的太阳电池修正结果，ISC＝25.4mA／cm2短路电流密度，VOC＝0.48V开路电压，Ff＝0.68填充因子，η＝7.7%转化效率。

对于最佳设计：a－Si／μC－Si二端子级联太阳电池，前提条件：当底部电池的μC－Si膜厚度为0.3μm时，a－Si的最佳膜厚为0.4μm。其综合输出特性参数如下：

其中，JSC＝16.3mA／cm2短路电流密度，VOC＝1.45V开路电压，Ff＝0.778填充因子，转换效率η＝18.4。

当太阳能电池板的面积S为10cm×10cm时，

有：短路电流＝电路电流密度×面积，ISC＝JSC×S＝16.3×100＝1.63A，

此时是理想情况下的输出功率。考虑到中间过程中的损耗及随着太阳光强度变化，会发生变化，Pmax也会发生变化，其中Pin随光强变化曲线如图2所示。

图2 Pin随光强变化曲线

当转化效率为η＝18.4%，Pmax＝1.8388W，Pin＝对应日照强度最强。进而说明了要达到最大输出功率，在最高太阳光入射强度时，不能满足其光强要求，所以又通过加菲涅尔透镜，提高太阳光照强度的必要性。

当光强为0.6kW／m2以上时，可以达到每天6h的充电量，假设光强为0.6kW／m2时，Pmax＝Pin×η＝6×0.184＝1.104W，可见多晶硅薄膜太阳电池的性能也是一种性价比极高的太阳能电池板，但是由于现在生产比较昂贵，此文中制作便携式充电器采用折中性能的非晶硅太阳能电池板是最好的选择。

（3）非晶硅太阳能电池及设计。白天各个时刻非晶硅太阳能电池板的开路电流如图3所示，数据表格如表7所示（参数：电池板面积16.4cm×7.4cm）。

图3 白天非晶硅太阳能电池板的短路电流

表7 白天非晶硅太阳能电池板的开路电流数据

由于所用的非晶硅太阳能电池板开路电压2V，短路电流600～700mA，此课题制作的便携式太阳能充电器所需要输出功率为2.5W，所以将3块非晶硅太阳能电池板串联，使开路电压达到5V以上。

太阳能电池板结构图（太阳能电池板面积为16.4cm×7.4cm）如图4所示。外加一个低值电阻分部分电压，通过升压电路即可把光能转换成电能，存储在锂离子电池中，达到储存光能的效果。

3.3.3 菲涅尔透镜提高太阳能吸收效率的研究

为将太阳能电池充电效率提高，可以考虑将太阳光汇聚在面积有限的太阳能电池板上，而太阳能聚光器是一种可以通过增加光留密度提高太阳能电池效率的仪器，其又可根据不同结构分为透射式聚光器和反射式聚光器。本文中将采用的菲涅尔透镜是一种透射式聚光器，输出功率与菲涅尔透镜透光面积之间的关系见图5。

图4 太阳能电池板结构图

图5 输出功率与菲涅尔透镜透光面积之间的关系

表8为实验实测数据（参数：电池板面积8.2cm×7.4cm）。

表8 实验数据

（1）随着菲涅尔透镜面积的增加，聚光倍率增大，输出功率增加，可增强为无菲涅尔透镜时的15倍以上，因此在不烧坏PN结（P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基底上，在它们的交界面形成的空间电荷区称PN结）的前提下，采用菲涅尔透镜的聚光作用效果很好。考虑到太阳能电池板可能被烧坏，需要在其下边增加散热材料，可以间接提高太阳能电池板的功率。

（2）随着菲涅尔透镜面积的不断增强，在面积比达到10的时候，输出光电流还在增强，没有达到饱和点，说明其利用价值非常高。

（3）非晶硅太阳能电池板与电路参数的匹配。

4 结语

将拆机电池回收利用，低碳环保；使用太阳能电池充电，绿色能源利用；通过菲涅尔透镜，有效提高太阳能电池效率。拆机电池与非晶硅太阳能电池的组合应用具有很大的推广应用空间，主要体现在以下几个方面：体积小、重量轻、电池可折叠，方便携带；市电、太阳能电池双供电，便于野外工作；拆机电池原材料来源广泛，且可利用价值高，节能环保；菲涅尔透镜可同时用于引火等其他野外应用。

［1］ 邹建兵.用于聚光太阳能系统的菲涅耳透镜的制作研究［D］.苏州：苏州大学，2010.

［2］ 阴军英，张 超，王彩红.废旧锂电池的回收和综合利用研究［J］.广东化工，2011，38（7）：84～87.

［3］ 吴宇平，戴晓后，马军旗，等.锂离子电池——应用与实践［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［4］ 吴贺利.菲涅尔太阳能聚光器研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010.