浅谈太阳能充电系统结构原理及应用

2013-08-15黎运宇

通信电源技术 2013年6期

黎运宇

（广西民族师范学院，广西崇左 532200）

1 太阳能应用简述

太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，其中约二十亿分之一到达地球大气层，是地球上光和热的源泉。太阳能（Solar Energy）通常是指太阳光的辐射能量，在现代常用作发电，这是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等［1］。利用太阳能方式有主动式、被动式之分。目前人类直接利用太阳能还处于初始阶段，其主要用在太阳能发电、集热方面。建筑方面，如供热水系统、取暖房；通信方面，如太阳能无线监控、空间太阳能电源等；还有光化利用、光生物利用等。

太阳能充电是利用太阳能电池板发电后给所需电池及其设备供电、储电的过程。按供给产品的对象不同有手机、笔记本、电动车、相机、电动玩具车等充电器，还有万能充电器。

2 太阳能充电系统的结构及原理

充电系统是将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，蓄电池可以为任何形式的蓄电装置［2］。其结构如下:①太阳能板或太阳能电池组；②充电控制器或调压元件；③被充电对象的电池或电池组，灯具、电机等设备；④电源选择开关或其他附件。

充电系统原理:把太阳能电池板放置在阳光比较充足的地方，电池板接收光源，利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换成电能，通过控制器、整流稳压装置调节输出电压的高低，提供满足要求的电源。

3 充电系统各部分的功能及作用

3.1 太阳能电池板是关键

我国光伏产业以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上［3］。生产太阳能电池的材料有多晶硅、单晶硅、非晶硅、硒铟铜、砷化镓等，这些材料均有对光响应并能将光能转换成电能的功能，具有基本相同的发电原理［4］。即光伏效应:当半导体材料P－N结受光照时，对光子的本征吸收能够产生光生载流子，P区的光生电子，N区的光生空穴和结区的电子空穴对，扩散到内电场附近时能在内建电场作用下漂移过P－N结，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即屯子空穴对被内建电场分离，这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累，它们产生一个与P—N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区，此电场使P－N结势垒降低，势垒的减小量即光生电势差，且P端为正，N端为负，实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献［4］。当P－N结两侧集聚的电荷形成电位差，如果外接电路导通，则会形成光生电流而输出一定的输出功率，这是大多数晶体光生电流的能量转换过程。能否顺利实现充电过程，太阳能电池板起到了关键的作用，其好坏决定了太阳能的转化率高低，如今我国太阳能电池板的太阳能光电转化率能达到18%左右。

3.2 充电控制器实现自动控制

充电控制器是根据具体充电电路需要设计的，最简单的是采用防反二极管，这一做法仅能实现当太阳能没有或是低于蓄电池时不让电流反向流通。为了保护蓄电池、用电器，防止过电压过电流充电，可以根据太阳能的强弱，实现升压、降压、稳压和报警功能。为防止电池的记忆功能降低电池的使用寿命，当蓄电池饱满时切断充电电流或充电结束关断、实时显示电压功能。要求高的充电控制器则能实现电压的正负增量、温度、时间、最高或最低电压的控制，如目前国内普遍采用最大功率跟踪法。为了很好的散热通常加装小的风扇。当电池的类型不同时应选择不同的充电控制器。

3.3 充电对象

当接收到的太阳能转换成电能后经过控制器可以直接供给所用的照明设备或其他所需用电设备，如手机、照明、户外广告、航空航天等。许多情况下将转换来的电能直接作为电路板的电源，使电路产生响应。另外还可以将所转换来的电能存储起来，作为移动电源或是在太阳能缺少时保障用电设备正常运行所需的电源。在此情况下，需要蓄电池或蓄电池组。

3.4 电源选择开关或其他附件根据需要添加

选择开关可以实现以下两种情况的转换:①太阳能光源不足无法继续给用电器供电时，选择备用电池供电；②太阳能不能给电池充电时要用交流电给电池继续充电，以弥补太阳能不足时保证电池或用电器正常长时间工作。有些用电器需要的是交流电，则需要在电池输出的电路中加装DC－AC逆变器，这样就可以满足将电池输出的直流电供给需要交流电的用电器。对于需要不同电压的设备或是多型号电池的场合，可以加装调压电路或是调压器来实现，达到输出多种不同电压的要求。

4 太阳能充电系统的研究现状分析

太阳每年辐射到地球表面的能量为50×1018kJ，相当于目前全世界能量消费的1.3万倍［5］。我国太阳能资源丰富，能源清洁，转换比较方便，所用电池和设备材料比较容易获得，技术日渐成熟，因此我国利用太阳能作为今后的一种替代能源趋势明显。

4.1 太阳能电池板的研究和应用

从20世纪80年代起，我国在引进了国际先进技术的基础上开始了自主的太阳能电池研究，目前已经批量生产。基于硅的半导体特性研发成功的属于第一代太阳能电池，目前约占整个太阳能电池市场的86%以上［6］。文献［7］分析了光转换材料外量子效率的计算方法，列出了表示光和有效辐射与光照度的关系表达式E＝5.07×10－3L，论述了太阳能电池能源丰富，清洁高效，其系统不但可随着环境和规模的变化而进行扩充和缩减控制，易于安装，大大降低了成本，其转化过程中也没有能量的耗费等优点。

目前市场上的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，其中又以多晶硅太阳能电池为主流。硅基太阳能电池的硅片厚度已由20世纪70年代的450～500μm降低到目前的180～280μm，预计2020年硅片厚度将降低到80～100μm［8］。以此发展能达到减小体积，节省材料的目的。

随着技术进步、新工艺的出现，太阳能电池发展的新方向为薄膜电池、叠层电池、柔性电池、料敏化太阳能电池，这些已经成为研究热点。我国在20世纪90年代已经介入这些领域的研究，特别是在新型染料合成、半固态电解质研究、以及示范工程方面有明显特色，清华大学在一维光阳极材料的基础研究方面做了大量工作［8］。在跟踪技术方面，如文献［9］总结出太阳能主要有闭环单轴跟踪、闭环双轴跟踪、开环单轴跟踪、开环双轴跟踪及混合式跟踪等跟踪装置，讨论了视日运动轨迹跟踪，光电跟踪，混合式跟踪方式的研究应用进展。部分研究由原来的静态研究转为动态化研究。如文献［10］研究出太阳能电池的动态模型和动态特性，并得出了特性方程。研究方向由晶体转为非晶体方向。文献［11］利用射频等离子体增强化学气相沉积工艺（RF—PECVD）制备非晶硅锗薄膜，在此基础上制备出效率为6.65%的非晶硅锗（a.SiC，e:H）单结太阳能电池。由当前的成熟技术无机电池研究发展为有机太阳能电池的研究，有机电池转化效率已达到6.77%［12］。

4.2 充电控制器的研究与应用

充电器的种类很多，常规的交流电源充电器基本上得到了普及，如手机、电动自行车、家用小电器、玩具等设备用充电器。目前充电器的新产品日新月异，品种繁多，有简易的、环保的、恒压的、二次储能的、数字控制的、全自动的等，见文献［13］、文献［14］、文献［15］。当今采用的芯片也多样化，有基于LP394，LM2577，LM339，MAX631，PIC16F73，LM2596T，MC33063，HT46R24，LT3562等；采用跟踪方式有被动式、主动式、混合式等。总之其成果丰富，功能多样，设计电路智能化，输出电压稳定，太阳能光转换率越来越高，成本也越来越低。

4.3 蓄电池的研究与应用

蓄电池的种类较多，其技术已经比较成熟，如铅酸电池的成本低，安全性和可靠性高，因此在电力、通信行业早已广泛应用；锂电池是近20年来畅销的一种移动式电池，成本低，容量大，但提高其安全性是研究的重点。随着社会的需求日益加大，目前新型电池得到了研究和推广使用，如具有容量大、功率大、效率高、寿命长、安全性高等优点的液流电池；储量丰富、成本较低、循环寿命长的钠硫电池［16］；钠离子电池、液态金属电池等。研究人员一直试图寻找储能更大、功率更强、效率更高、成本更低、使用更安全，寿命更长的电池。

4.4 太阳能充电系统的应用期待

进入21世纪，人们的生活更加丰富多彩，移动设备越来越多，需要充电的设备也日益增多，寻找补充的电能源需求十分迫切。太阳能的能量大，优点突出，如何利用好太阳能是摆在科研工作者面前的新课题，主要需做好如下工作。

（1）加大太阳能的相关产品的研发，研制出更适合用户使用的充电系统；

（2）唤起人们使用相关产品的共识，自觉参与应用太阳能充电系统产品；

（3）政府相关部门加强引导宣传把政策落到实处。

太阳能充电系统的应用在以下几个方面值得期待:

（1）太阳能充电产品更丰富，外观更漂亮，使用更方便，成本及价格更低，百姓愿意使用意识增强；

（2）太阳能利用率、转化率虽有较大提高，但是太阳能电池板转换率不能长时间徘徊在百分之十几；

（3）太阳能控制器趋于大规模集成化，数字化，阳光跟踪自动化；

（4）蓄电池性能更稳定，储能量大，充电时间短放电时间长，安全性有保障，种类更多，新材料电池不再是个别的出现；

（5）研究日趋活跃化，使用更加普及化，部分替代常用的水力火力发电。减缓日趋紧张的电力资源短缺矛盾。

5 结束语

减少能源损耗是科研工作者义不容辞的责任所在，推广太阳能资源的利用，是弥补资源紧张的必要措施之一，国家十二五规划出台了一系列政策，有助于加强太阳能的利用，弥补我国电力能源的严重不足现实。本文在前人的基础上把太阳能电池板、充电器、充电电池综合成为一个系统来研究，力求在提高太阳能利用率，增强大众的认识，加大推广太阳能使用方面起到一定的积极作用。

［1］［太阳新能源］太阳能能源知识简介［EB／OL］.辽源城乡网，http:／／xinhongyang.lingd.net／article－5342469－1.html.发布时间:2012－08－07，14:25:21.

［2］百度百科［EB／OL］.http:／／baike.baidu.com／view／1362870.htm.

［3］孙道宗，王卫星，姜晟，孔繁波.基于 TPS5430和MAX1674的智能充电器［J］.电子设计工程，2010，（8）:143－146.

［4］高长青.太阳能光伏发电原理［J］.中国科技博览，2012，（27）:407.

［5］张玲，韦文珍，毛雁升.谈新能源的开发与利用及新疆新能源的利用现状［J］.新疆农垦科技，2001，（3）:51－53.

［6］席珍强，陈君，杨德仁.太阳能电池发展现状及展望［J］.新能源，2000，22（12）:100－102.

［7］王明甫，贺华山，贺良冬.基于太阳能电池光转换材料的研究［J］.北京电力高等专科学校学报（自然科学版），2012，29（7）:22－24.

［8］林红，李鑫，刘忆翥，李建保.太阳能电池发展的新概念和新方向［J］.稀有金属材料与工程，2009，38（z2）:722－725.

［9］闫秋娟，蒋猛.太阳能电池板自动跟踪装置的研究进展［J］.科技创新与应用，2013，（14）:14－15.

［10］秦岭，谢少军，杨晨，许津铭，王挺.太阳能电池的动态模型和动态特性［J］.中国电机工程学报，2013，33（7）:19－26.

［11］程碧胜，雷青松，徐静平，薛俊明.用于薄膜太阳能电池的非晶硅锗制备与性能研究［J］.人工晶体学报，2012，41（6）:45－51.

［12］张天慧，朴玲钰，赵谡玲，徐征，杨磊，刘祥志，鞠思婷.有机太阳能电池材料研究新进展［J］.有机化学，2011，31（2）:260－272.