小型太阳能电源设计
2019-11-07冯宇琛张晏嘉
冯宇琛，潘 迪，张 钰，张晏嘉，李 强
（1.齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学 理学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.齐齐哈尔技师学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）
随着传统化石能源日渐枯竭以及环境问题日益严重，新能源的开发成为当前研究人员的重点研究方向[1，2]。其中，能量收集因其具有可持续性的特点成为新能源开发中重要的研究方向之一[3]。当前，研究人员对能量收集的研究侧重于采用压电发电、电磁发电、温差发电等新兴发电技术[4-6]。压电发电技术由于压电材料特性的限制，存在发电电能较小的缺点；电磁发电技术需根据对应环境设计机械结构从而进行发电，受场地限制较大；温差发电则存在因夏季温差较小从而不适合在夏季进行能量收集。
太阳能作为自然界最广泛的能量，存在无污染、安全可靠、储量大等特点，利用太阳能发电可得到较大的电能，同样太阳能发电技术不受能源分布地域的限制且对太阳能发电的研究技术较为成熟。因此本文提出一种收集太阳能的小型电源设计。小型电源以太阳能为能量来源，设计针对光伏电池输出特点的能量管理电路，电路输出电能储存在蓄电池中并为外部小型用电设备供电。本设计可广泛替代生活中化学电池的使用，如塑料大棚检测系统、交通信号灯、路灯等地。
1 装置工作原理及光伏电池特性分析
1.1 装置基本工作原理
本装置主要由三部分组成：光伏电池、能量管理电路、电能储存及外部供电，基本工作原理如图1所示。光伏电池可将太阳能转化为电能。能量管理电路部分由能量处理电路以及5V升压电路组成。能量处理电路会对太阳能电池板输出的不稳定、不连续的直流电能进行一系列处理，输出稳定、连续的直流电能，随后经过5V升压电路，输出5V电压至储存部分。
图1 基本工作原理
1.2 光伏电池输出特性实验
光伏电池输出不连续、不稳定电能，因此需设计相应能量管理电路。通过光伏电池输出实验得到输出具体参数，以实验所得输出参数作为电路设计时的参考。实验于2019年4月5日进行，地点为黑龙江省齐齐哈尔市齐齐哈尔大学工程楼，实验使用soltec公司的206-38977型光伏电池，该电池尺寸大小为5cm×5cm，可输出最大为2V的直流电压及440mA的直流电流。
实验测定一天不同时间段单组光伏电池的输出电压及电流。实验时间从早上8：00持续到下午16：00，每隔一小时使用万用表测量输出电压、输出电流进行测量，实验数据如图1。
图1 实验数据
图2 功率-时间变化曲线
实验结果显示，随着时间变化，输出电压及输出电流成上升趋势，在15：00时其输出电能达到最大，电压为1.0687V，电流为0.1170A。对图一所示实验数据进行处理、计算，得到单组光伏电池功率-时间变化曲线，如图2所示。可以看到，光伏电池输出功率变化趋势与输出电压、电流变化趋势一致，15：00时光伏电池的输出功率最大，为0.125W。使用15：00时实验数据作为电路设计时的仿真参数。
2 能量管理电路
2.1 能量处理电路设计
光伏电池易受环境影响输出不稳定、不连续电能，针对该问题，结合文献[7-9]，设计基于LTC3108-1芯片的能量处理电路。LTC3108-1一款低功耗升压型转换器和电源管理器，可收集和管理来自极低输入电压源的剩余能量并连续输出。该芯片有四种输出电压可供选择：2.5V、3.0V、3.7V以及4.5V。本文选择输出电压为3.3V。电路原理图如图3。使用LTspice软件对该电路进行仿真，设置输入参数：电压1.0687V，电流0.1170A。最终仿真结果显示，设置输入电压为1.0687V时，输出电压稳定在3.3V，电路设计要求基本实现。
图3 电路原理图
2.2 5V升压电路设计
当前众多小型用电设备如手机、传感器等其正常工作电压皆为5V，因此电能量处理电路输出的3.3V电压需再进行升压至5V。CE8301芯片是一款升压、超小型PFM控制的DC/DC控制器，可在最低0.9V的电压启动，输出电压1.8-6.5V，该芯片可通过使用电感、电容器和二极管等外接构件，形成DC/DC升压电路。本文设计了基于CE8301芯片的5V升压电路，电路原理图如图4所示。
图4 5V直流升压电路
OUT1端为该电路输入端，3.3V电压由此输入后，经过电路一系列处理，最终在OUT2端稳定输出5V电压。
3 装置整体测试
装置整体可行性测试：将两块光伏电池串联，光伏电池绿色端口接LTC3108-1电路输入正极，红色端口接电路负极，随后5V升压电路与LTC3108-1电路输出端相连，实物电路图如图5。测试时选择在下午15：00进行，并将手机与5V升压电路输出端相连，使光伏电池正对太阳，测试结果如图6所示。测试结果显示，光伏电池正对太阳2S后，手机屏幕显示开始充电。
图5 实物电路图
4 结论
本文研究、设计了小型太阳能电源。首先研究光伏电池输出特性并进行输出实验得到光伏电池输出参数。针对光伏电池的输出特性设计了能量管理电路，包括基于LTC3108-1芯片的能量处理电路及基于CE8301芯片的5V升压电路，通过仿真测试验证电路的可行性与稳定性。对装置进行整体测试，测试结果显示：该装置输出电能可供智能手机正常充电，达到装设计要求。
