太阳能充电器的设计与研究

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(天津中德职业技术学院，天津 300350)

一、引言

随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重，新能源和清洁的可再生能源的开发将成为影响世界经济发展的技术领域。其中，太阳能能否在未来被充分的开发和利用已成为世界各国政府及科研机构必须面临的挑战，作为其中之一的太阳能发电技术，更是受到人们的普遍关注。如今，太阳能发电技术被大规模的应用于各个行业和领域，这都是因为太阳能发电具有许多其他能源无法具有的优点，其中就包括没有噪声，不消耗燃料，不需要复杂的机械结构，不需要专门的看守人员，建造方便，维护方便，故障率低，规模可大可小，不需要远程传输，可方便地与各种器械设施或建筑相结合等。近年来，太阳能发电技术在全世界飞速发展。例如，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划，世界光伏市场开始由边远的农村和特殊应用向家用发电和大规模使用的方向发展，光伏发电已经由补充能源向替代能源转变。

迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题。目前光伏产业主要应用在并网和未连网的大规模发电领域，而消费类产品的应用实例非常少，如目前还没有真正有效地利用太阳能充电的手机电池。使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本文设计和研究了一套太阳能手机充电系统来解决这个问题。因此太阳能作为一种易取的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于我们日常生活提供了极大的便利，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义。

二、多功能太阳能充电系统设计思路

太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，整个系统由太阳能电池板、升压电路、稳压电路等组成。本设计采用太阳能电池板对二极管进行供电同时可进行升降压变换输送到三端稳压器，经其输出满足各种手机充电的充电电压并对手机进行充电。同时设计了含有可调电阻的太阳能充电电路，对手机充电时所需的电压大小进行调节。

本太阳能手机充电器的设计中是利用光生伏特效应将光能转换成电能，其电能通过稳压器可直接给手机电池充电，也可将电能储存于蓄电池，在无太阳光时对手机充电。其基本工作流程图如下：

图1 太阳能充电系统工作流程图

太阳能电池板在使用的时候，由于太阳光线的变化比较大，并且受温度的影响，所以输出电压不稳定，输出电流小，不过只要利用充电控制电路将太阳能电池板输出的直流电压变换后供给手机充电即可。在光线条件适宜的时候，通过太阳能电池板吸收太阳光，就可以将光能转换为电能。

三、多功能太阳能充电系统硬件设计

(一)太阳能充电系统原理图

无论白天黑夜只要有光线照射到太阳能电池板上，经过光电效应的转换原理将电池板所吸收的太阳辐射能转变为电能流经具有防倒流作用的二极管D9，到达LM2577-ADJ和附加功能部分。其中LM2577-ADJ是一个将电压的大小进行升降变换的装置，RC为输出电压可调电位器，根据负载所需电压的大小来调节RC数值的大小。这部分输出的电压一部分提供给外用电器；而附加功能部分主要有户外照明和验钞这两部分构成，它们的控制是由一个带有自锁功能的六角开关来实现关断的。另一部分输送到电路的稳压部分进行稳压转换，由LM7805的1端口进入，3端口输出，2端口是是一个接地保护，此时电源指示灯亮起，电路导通到达USB端口，连接手机数据线用万用表测出输出电压的大小，根据待充手机电池的额定电压调节RC的大小到所需要的额定电压后将手机接入电路，此时就实现了充电的过程。可以分别放在不同强度的光线下进行充电测试，并记录电压、电流等数据。

图2 太阳能充电系统原理图

(二)太阳能电池板充电电路

图3 太阳能电源板充电池电路

电路分析：

太阳能电源板在空载时发电电压有6V之高，但受发电功率的影响他提供的电流很小，一般在33mA左右，33mA的电流对D9没有构成安全威胁。

电源板电压6V电池电压3.7V，太阳能电源板的功率很低，太阳能电源板与电池连接的充电电路一定要简单，否则会造成转换效率很低，失去了太阳能的意义。本电路选择直接通过低压降的肖特基整流2极管D9连接升降压，这时D9的电流还是很小功耗很低，D9可以承受并且安全使用。

在D9肖特基整流2极管上耗散的功率计算。

太阳能的平均输出功率在200mW左右，D9的压降在0.4V左右，则D9上的功耗是：P=0.4V/(0.4V+3.7V)X0.2W=0.02W，在安全的范围内。

四、太阳能电池的主要参数及影响因素

(一)太阳能电池的主要参数

太阳能电池的几个重要技术：

1.短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流

2.开路电压VOC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压

3.最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流

4.最大功率点电压(VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压

5.最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下太阳能电池可能输出的最大功率

(5-1)

7.太阳能电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用太阳能电池的最大效率值作为其效率η，

η=ηMPPT=PM=PS

(5-2)

(二)影响因素

1.太阳的光照强度对太阳能电池转换效率的影响

太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(5-1)中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著。

2.温度对太阳能电池输出特性的影响

温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显。

综上所述，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：

(1)太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；

(2)开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；

(3)输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点MPP(Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。

五、太阳能充电系统的实验研究

图4是本文所设计的太阳能手机充电器对某款手机锂电池充电的电压与时间关系曲线。其中太阳能电池板输出约为6V 左右，数据为每分钟测量和记录一次，最后再经过excel软件处理而得的。从图中可以看出，充电过程基本上经过了恒压充电过程，从电压与时间关系曲线来看，后项有一段恒压充电，同时恒压稳定在4.24v，完全没有出现过压充电的现象。从充电精度看，对此4.25v 的锂电池来说，精度达到了0.24%，完全在充电精度要求范围内。并且充电时间在200分钟左右，与普通充电器的充电时间相当。由此可见，该太阳能充电系统可以基本满足锂电池充电需求，并且可以取代普通充电器。

图4 充电电压与充电时间关系曲线

六、结语

本文所述太阳能充电器的设计与研究，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，整个系统由太阳能电池板、升压电路、稳压电路等组成。本设计采用太阳能电池板对二极管进行供电同时可进行升降压变换输送到三端稳压器，经其输出满足各种手机充电的充电电压并对手机进行充电。同时设计了含有可调电阻的太阳能充电电路，对手机充电时所需的电压大小进行调节。本文所提出的太阳能充电系统最大限度地利用了太阳能，实现了能源的绿色化。同时该手机充电器的充电效率为0.24%，充电时间约为200分钟，由此可知本文所述太阳能充电系统可以取代普通充电系统。通过对太阳能手机充电器的设计与研究，可以唤醒人们对环境的珍惜，使用绿色能源保护地球。也对我们日常生活提供了极大的便利。

参考文献：

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