淺談太陽(yáng)能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

黎運(yùn)宇

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

1 太陽(yáng)能應(yīng)用簡(jiǎn)述

太陽(yáng)內(nèi)部高溫核聚變反應(yīng)所釋放的輻射能，其中約二十億分之一到達(dá)地球大氣層，是地球上光和熱的源泉。太陽(yáng)能（Solar Energy）通常是指太陽(yáng)光的輻射能量，在現(xiàn)代常用作發(fā)電，這是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能、化學(xué)能、水的勢(shì)能等［1］。利用太陽(yáng)能方式有主動(dòng)式、被動(dòng)式之分。目前人類(lèi)直接利用太陽(yáng)能還處于初始階段，其主要用在太陽(yáng)能發(fā)電、集熱方面。建筑方面，如供熱水系統(tǒng)、取暖房；通信方面，如太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)監(jiān)控、空間太陽(yáng)能電源等；還有光化利用、光生物利用等。

太陽(yáng)能充電是利用太陽(yáng)能電池板發(fā)電后給所需電池及其設(shè)備供電、儲(chǔ)電的過(guò)程。按供給產(chǎn)品的對(duì)象不同有手機(jī)、筆記本、電動(dòng)車(chē)、相機(jī)、電動(dòng)玩具車(chē)等充電器，還有萬(wàn)能充電器。

2 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

充電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能以后存儲(chǔ)在蓄電池里面，蓄電池可以為任何形式的蓄電裝置［2］。其結(jié)構(gòu)如下:①太陽(yáng)能板或太陽(yáng)能電池組；②充電控制器或調(diào)壓元件；③被充電對(duì)象的電池或電池組，燈具、電機(jī)等設(shè)備；④電源選擇開(kāi)關(guān)或其他附件。

充電系統(tǒng)原理:把太陽(yáng)能電池板放置在陽(yáng)光比較充足的地方，電池板接收光源，利用光生伏打效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)控制器、整流穩(wěn)壓裝置調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，提供滿(mǎn)足要求的電源。

3 充電系統(tǒng)各部分的功能及作用

3.1 太陽(yáng)能電池板是關(guān)鍵

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)以每年30%的速度增長(zhǎng)。最近三年全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量平均年增長(zhǎng)率高達(dá)49.8%以上［3］。生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的材料有多晶硅、單晶硅、非晶硅、硒銦銅、砷化鎵等，這些材料均有對(duì)光響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的功能，具有基本相同的發(fā)電原理［4］。即光伏效應(yīng):當(dāng)半導(dǎo)體材料P－N結(jié)受光照時(shí)，對(duì)光子的本征吸收能夠產(chǎn)生光生載流子，P區(qū)的光生電子，N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)，擴(kuò)散到內(nèi)電場(chǎng)附近時(shí)能在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)P－N結(jié)，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即屯子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離，這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累，它們產(chǎn)生一個(gè)與P—N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)，此電場(chǎng)使P－N結(jié)勢(shì)壘降低，勢(shì)壘的減小量即光生電勢(shì)差，且P端為正，N端為負(fù)，實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)［4］。當(dāng)P－N結(jié)兩側(cè)集聚的電荷形成電位差，如果外接電路導(dǎo)通，則會(huì)形成光生電流而輸出一定的輸出功率，這是大多數(shù)晶體光生電流的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。能否順利實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程，太陽(yáng)能電池板起到了關(guān)鍵的作用，其好壞決定了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率高低，如今我國(guó)太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化率能達(dá)到18%左右。

3.2 充電控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制

充電控制器是根據(jù)具體充電電路需要設(shè)計(jì)的，最簡(jiǎn)單的是采用防反二極管，這一做法僅能實(shí)現(xiàn)當(dāng)太陽(yáng)能沒(méi)有或是低于蓄電池時(shí)不讓電流反向流通。為了保護(hù)蓄電池、用電器，防止過(guò)電壓過(guò)電流充電，可以根據(jù)太陽(yáng)能的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓、穩(wěn)壓和報(bào)警功能。為防止電池的記憶功能降低電池的使用壽命，當(dāng)蓄電池飽滿(mǎn)時(shí)切斷充電電流或充電結(jié)束關(guān)斷、實(shí)時(shí)顯示電壓功能。要求高的充電控制器則能實(shí)現(xiàn)電壓的正負(fù)增量、溫度、時(shí)間、最高或最低電壓的控制，如目前國(guó)內(nèi)普遍采用最大功率跟蹤法。為了很好的散熱通常加裝小的風(fēng)扇。當(dāng)電池的類(lèi)型不同時(shí)應(yīng)選擇不同的充電控制器。

3.3 充電對(duì)象

當(dāng)接收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能后經(jīng)過(guò)控制器可以直接供給所用的照明設(shè)備或其他所需用電設(shè)備，如手機(jī)、照明、戶(hù)外廣告、航空航天等。許多情況下將轉(zhuǎn)換來(lái)的電能直接作為電路板的電源，使電路產(chǎn)生響應(yīng)。另外還可以將所轉(zhuǎn)換來(lái)的電能存儲(chǔ)起來(lái)，作為移動(dòng)電源或是在太陽(yáng)能缺少時(shí)保障用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電源。在此情況下，需要蓄電池或蓄電池組。

3.4 電源選擇開(kāi)關(guān)或其他附件根據(jù)需要添加

選擇開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)以下兩種情況的轉(zhuǎn)換:①太陽(yáng)能光源不足無(wú)法繼續(xù)給用電器供電時(shí)，選擇備用電池供電；②太陽(yáng)能不能給電池充電時(shí)要用交流電給電池繼續(xù)充電，以彌補(bǔ)太陽(yáng)能不足時(shí)保證電池或用電器正常長(zhǎng)時(shí)間工作。有些用電器需要的是交流電，則需要在電池輸出的電路中加裝DC－AC逆變器，這樣就可以滿(mǎn)足將電池輸出的直流電供給需要交流電的用電器。對(duì)于需要不同電壓的設(shè)備或是多型號(hào)電池的場(chǎng)合，可以加裝調(diào)壓電路或是調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到輸出多種不同電壓的要求。

4 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀分析

太陽(yáng)每年輻射到地球表面的能量為50×1018kJ，相當(dāng)于目前全世界能量消費(fèi)的1.3萬(wàn)倍［5］。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，能源清潔，轉(zhuǎn)換比較方便，所用電池和設(shè)備材料比較容易獲得，技術(shù)日漸成熟，因此我國(guó)利用太陽(yáng)能作為今后的一種替代能源趨勢(shì)明顯。

4.1 太陽(yáng)能電池板的研究和應(yīng)用

從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)在引進(jìn)了國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)始了自主的太陽(yáng)能電池研究，目前已經(jīng)批量生產(chǎn)?；诠璧陌雽?dǎo)體特性研發(fā)成功的屬于第一代太陽(yáng)能電池，目前約占整個(gè)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的86%以上［6］。文獻(xiàn)［7］分析了光轉(zhuǎn)換材料外量子效率的計(jì)算方法，列出了表示光和有效輻射與光照度的關(guān)系表達(dá)式E＝5.07×10－3L，論述了太陽(yáng)能電池能源豐富，清潔高效，其系統(tǒng)不但可隨著環(huán)境和規(guī)模的變化而進(jìn)行擴(kuò)充和縮減控制，易于安裝，大大降低了成本，其轉(zhuǎn)化過(guò)程中也沒(méi)有能量的耗費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。

目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池主要是硅基太陽(yáng)能電池，其中又以多晶硅太陽(yáng)能電池為主流。硅基太陽(yáng)能電池的硅片厚度已由20世紀(jì)70年代的450～500μm降低到目前的180～280μm，預(yù)計(jì)2020年硅片厚度將降低到80～100μm［8］。以此發(fā)展能達(dá)到減小體積，節(jié)省材料的目的。

隨著技術(shù)進(jìn)步、新工藝的出現(xiàn)，太陽(yáng)能電池發(fā)展的新方向?yàn)楸∧る姵亍B層電池、柔性電池、料敏化太陽(yáng)能電池，這些已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。我國(guó)在20世紀(jì)90年代已經(jīng)介入這些領(lǐng)域的研究，特別是在新型染料合成、半固態(tài)電解質(zhì)研究、以及示范工程方面有明顯特色，清華大學(xué)在一維光陽(yáng)極材料的基礎(chǔ)研究方面做了大量工作［8］。在跟蹤技術(shù)方面，如文獻(xiàn)［9］總結(jié)出太陽(yáng)能主要有閉環(huán)單軸跟蹤、閉環(huán)雙軸跟蹤、開(kāi)環(huán)單軸跟蹤、開(kāi)環(huán)雙軸跟蹤及混合式跟蹤等跟蹤裝置，討論了視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，光電跟蹤，混合式跟蹤方式的研究應(yīng)用進(jìn)展。部分研究由原來(lái)的靜態(tài)研究轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)化研究。如文獻(xiàn)［10］研究出太陽(yáng)能電池的動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性，并得出了特性方程。研究方向由晶體轉(zhuǎn)為非晶體方向。文獻(xiàn)［11］利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝（RF—PECVD）制備非晶硅鍺薄膜，在此基礎(chǔ)上制備出效率為6.65%的非晶硅鍺（a.SiC，e:H）單結(jié)太陽(yáng)能電池。由當(dāng)前的成熟技術(shù)無(wú)機(jī)電池研究發(fā)展為有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究，有機(jī)電池轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到6.77%［12］。

4.2 充電控制器的研究與應(yīng)用

充電器的種類(lèi)很多，常規(guī)的交流電源充電器基本上得到了普及，如手機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、家用小電器、玩具等設(shè)備用充電器。目前充電器的新產(chǎn)品日新月異，品種繁多，有簡(jiǎn)易的、環(huán)保的、恒壓的、二次儲(chǔ)能的、數(shù)字控制的、全自動(dòng)的等，見(jiàn)文獻(xiàn)［13］、文獻(xiàn)［14］、文獻(xiàn)［15］。當(dāng)今采用的芯片也多樣化，有基于LP394，LM2577，LM339，MAX631，PIC16F73，LM2596T，MC33063，HT46R24，LT3562等；采用跟蹤方式有被動(dòng)式、主動(dòng)式、混合式等?？傊涑晒S富，功能多樣，設(shè)計(jì)電路智能化，輸出電壓穩(wěn)定，太陽(yáng)能光轉(zhuǎn)換率越來(lái)越高，成本也越來(lái)越低。

4.3 蓄電池的研究與應(yīng)用

蓄電池的種類(lèi)較多，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如鉛酸電池的成本低，安全性和可靠性高，因此在電力、通信行業(yè)早已廣泛應(yīng)用；鋰電池是近20年來(lái)暢銷(xiāo)的一種移動(dòng)式電池，成本低，容量大，但提高其安全性是研究的重點(diǎn)。隨著社會(huì)的需求日益加大，目前新型電池得到了研究和推廣使用，如具有容量大、功率大、效率高、壽命長(zhǎng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)的液流電池；儲(chǔ)量豐富、成本較低、循環(huán)壽命長(zhǎng)的鈉硫電池［16］；鈉離子電池、液態(tài)金屬電池等。研究人員一直試圖尋找儲(chǔ)能更大、功率更強(qiáng)、效率更高、成本更低、使用更安全，壽命更長(zhǎng)的電池。

4.4 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的應(yīng)用期待

進(jìn)入21世紀(jì)，人們的生活更加豐富多彩，移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越多，需要充電的設(shè)備也日益增多，尋找補(bǔ)充的電能源需求十分迫切。太陽(yáng)能的能量大，優(yōu)點(diǎn)突出，如何利用好太陽(yáng)能是擺在科研工作者面前的新課題，主要需做好如下工作。

（1）加大太陽(yáng)能的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，研制出更適合用戶(hù)使用的充電系統(tǒng)；

（2）喚起人們使用相關(guān)產(chǎn)品的共識(shí)，自覺(jué)參與應(yīng)用太陽(yáng)能充電系統(tǒng)產(chǎn)品；

（3）政府相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)引導(dǎo)宣傳把政策落到實(shí)處。

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的應(yīng)用在以下幾個(gè)方面值得期待:

（1）太陽(yáng)能充電產(chǎn)品更豐富，外觀更漂亮，使用更方便，成本及價(jià)格更低，百姓愿意使用意識(shí)增強(qiáng)；

（2）太陽(yáng)能利用率、轉(zhuǎn)化率雖有較大提高，但是太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換率不能長(zhǎng)時(shí)間徘徊在百分之十幾；

（3）太陽(yáng)能控制器趨于大規(guī)模集成化，數(shù)字化，陽(yáng)光跟蹤自動(dòng)化；

（4）蓄電池性能更穩(wěn)定，儲(chǔ)能量大，充電時(shí)間短放電時(shí)間長(zhǎng)，安全性有保障，種類(lèi)更多，新材料電池不再是個(gè)別的出現(xiàn)；

（5）研究日趨活躍化，使用更加普及化，部分替代常用的水力火力發(fā)電。減緩日趨緊張的電力資源短缺矛盾。

5 結(jié)束語(yǔ)

減少能源損耗是科研工作者義不容辭的責(zé)任所在，推廣太陽(yáng)能資源的利用，是彌補(bǔ)資源緊張的必要措施之一，國(guó)家十二五規(guī)劃出臺(tái)了一系列政策，有助于加強(qiáng)太陽(yáng)能的利用，彌補(bǔ)我國(guó)電力能源的嚴(yán)重不足現(xiàn)實(shí)。本文在前人的基礎(chǔ)上把太陽(yáng)能電池板、充電器、充電電池綜合成為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究，力求在提高太陽(yáng)能利用率，增強(qiáng)大眾的認(rèn)識(shí)，加大推廣太陽(yáng)能使用方面起到一定的積極作用。

［1］［太陽(yáng)新能源］太陽(yáng)能能源知識(shí)簡(jiǎn)介［EB／OL］.遼源城鄉(xiāng)網(wǎng)，http:／／xinhongyang.lingd.net／article－5342469－1.html.發(fā)布時(shí)間:2012－08－07，14:25:21.

［2］百 度 百 科 ［EB／OL］.http:／／baike.baidu.com／view／1362870.htm.

［3］孫道宗，王衛(wèi)星，姜 晟，孔繁波.基于 TPS5430和MAX1674的智能充電器［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，（8）:143－146.

［4］高長(zhǎng)青.太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理［J］.中國(guó)科技博覽，2012，（27）:407.

［5］張 玲，韋文珍，毛雁升.談新能源的開(kāi)發(fā)與利用及新疆新能源的利用現(xiàn)狀［J］.新疆農(nóng)墾科技，2001，（3）:51－53.

［6］席珍強(qiáng)，陳 君，楊德仁.太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.新能源，2000，22（12）:100－102.

［7］王明甫，賀華山，賀良冬.基于太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換材料的研究［J］.北京電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，29（7）:22－24.

［8］林 紅，李 鑫，劉憶翥，李建保.太陽(yáng)能電池發(fā)展的新概念和新方向［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（z2）:722－725.

［9］閆秋娟，蔣 猛.太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤裝置的研究進(jìn)展［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，（14）:14－15.

［10］秦 嶺，謝少軍，楊 晨，許津銘，王 挺.太陽(yáng)能電池的動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（7）:19－26.

［11］程碧勝，雷青松，徐靜平，薛俊明.用于薄膜太陽(yáng)能電池的非晶硅鍺制備與性能研究［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2012，41（6）:45－51.

［12］張?zhí)旎?，樸玲鈺，趙謖玲，徐 征，楊 磊，劉祥志，鞠思婷.有機(jī)太陽(yáng)能電池材料研究新進(jìn)展［J］.有機(jī)化學(xué)，2011，31（2）:260－272.

［13］孟硐貴.DIY 簡(jiǎn)易太陽(yáng)能充電器［J］.電子世界，2011，（2）:46.

［14］王健海，林松州.二次儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能充電器演示儀研究［J］.山西電子技 術(shù)，2009，（1）:81－82.

［15］白林緒，申利飛，王 聰.數(shù)字控制太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.新能源，2010，（8）:49－51.

［16］蔣 凱，李浩秒，李 威，程時(shí)杰.幾類(lèi)面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池介紹［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，（1）:47－53.