拆機(jī)電池與非晶硅太陽(yáng)能電池板的組合應(yīng)用

史永京，錢 晨，孟 雪，高羅絲，史少霞

（南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京210046）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快，人們的生活正在向著一種便攜化方向發(fā)展，同時(shí)人們也越來(lái)越注重廢物再利用以及節(jié)能環(huán)保，比如筆記本電腦淘汰后其中的拆機(jī)電池經(jīng)過(guò)篩選后仍有很高的利用價(jià)值。本文從低碳環(huán)保的角度出發(fā)，將拆機(jī)電池與非晶硅太陽(yáng)能電池板結(jié)合，并使用菲涅爾透鏡，制作成高效便攜式充電器，滿足人們?cè)跓o(wú)市電的情況下，對(duì)手機(jī)、MP3等常用小電器充電的需求。

2 整體方案設(shè)計(jì)與電池介紹

2.1 整體方案簡(jiǎn)述

整體方案設(shè)計(jì)分為3個(gè)模塊，即電池管理模塊、DC－DC升壓模塊和太陽(yáng)能充電管理模塊。

2.2 18650拆機(jī)電池介紹

筆記本電腦中常用的18650可充電電池具有以下一些特性。單節(jié)標(biāo)稱電壓一般為：3.7V；最小放電終止電壓一般為：2.75V；最大充電終止電壓：4.20V；容量：1500mAh以上。四芯電池一般有2種情況：四個(gè)串聯(lián)和兩串聯(lián)兩并聯(lián)。其中，四個(gè)串聯(lián)電池組最終標(biāo)示參數(shù)為：14.8V／2200mAh（14.8V＝3.7V×4），串聯(lián)時(shí)輸出電流不變；而四個(gè)電芯分兩組，兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)，電池組最終標(biāo)示參數(shù)為：7.4V／4400mAh（7.4V＝3.7V×2）?，F(xiàn)在市場(chǎng)中12.1吋、13.3吋等尺寸的筆記本多為兩串聯(lián)兩并聯(lián)電池組。

2.3 18650拆機(jī)電池的檢測(cè)

簡(jiǎn)易電池容量測(cè)試儀的工作原理：使用AT89C2051單片機(jī)作為主控芯片，電池供電全部集中在電路中的大功率電阻，電路可以分別提供600mA和1200mA兩種工作電流，使用晶振來(lái)記錄放電時(shí)間，按下啟動(dòng)按鈕即開(kāi)始計(jì)時(shí)并通過(guò)電路內(nèi)部預(yù)置了積分電路進(jìn)行積分，同時(shí)顯示電路將顯示出所累積的電量。電池電量耗盡后蜂鳴器提示測(cè)量電量完畢，此時(shí)顯示的數(shù)值即為這段時(shí)間內(nèi)電池放電量。測(cè)量前，先將單節(jié)18650鋰電池充滿電，用上述方法放電完畢，得出的放電量即為電池容量。表1是對(duì)回收的30節(jié)拆機(jī)電池進(jìn)行電池電量測(cè)試得出的數(shù)據(jù)。

表1 拆機(jī)鋰離子電池電量測(cè)試 mAh

其中有16塊電池的電量超過(guò)1000mAh，具有極高的利用價(jià)值。本文中的充電器正是基于這16塊拆機(jī)電池而作進(jìn)一步研究。

為更精確地顯示18650拆機(jī)電池的電量與電壓關(guān)系，如表2所示。

表2 單節(jié)18650放電曲線測(cè)量

測(cè)量出拆機(jī)電池的容量－電壓曲線，得到曲線如圖1。

圖1 單節(jié)18650放電曲線

3 各模塊設(shè)計(jì)

3.1 電池管理模塊

本模塊作為與電池直接相連的核心模塊，主要運(yùn)用TP4057完成充電管理和CN1185實(shí)現(xiàn)電量顯示部分，另外在電路顯示部分通過(guò)電壓和容量的曲線用電壓判斷容量分四段顯示，提高電量顯示精準(zhǔn)度。

3.2 升壓模塊

通過(guò)對(duì)DCDC變化電路的研究，PT1301能在較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效地工作，不需要外部補(bǔ)償電路，并且單片PT1301轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)90%。

3.3 太陽(yáng)能電池模塊

3.3.1 太陽(yáng)能電池材料的選擇

太陽(yáng)電池分類及性能比較如表3。

表3 太陽(yáng)電池分類及性能

通過(guò)上述比較，非晶硅太陽(yáng)能電池板在市場(chǎng)中的應(yīng)用更加適合市場(chǎng)要求：攜帶方便，輕巧，環(huán)保無(wú)污染，并且比非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池價(jià)格低。

3.3.2 太陽(yáng)能電池理論分析比較

（1）單晶硅太陽(yáng)能電池。

不同單晶硅太陽(yáng)能電池的最佳效率比較如表4。

表4 不同單晶硅太陽(yáng)能電池的最佳效率

假設(shè)當(dāng)太陽(yáng)能電池板的面積為11cm×7cm＝77cm2時(shí)，有

對(duì)于c－Si：

對(duì)于GaAs：

對(duì)于InP：

幾種材料性能比較如表5。

表5 不同材料性能

四塊串聯(lián)材料性能比較如表6。

表6 四塊串聯(lián)時(shí)材料性能

可見(jiàn)單晶硅太陽(yáng)能電池板有很高的轉(zhuǎn)換效率，但是隨著科技的進(jìn)步，非晶硅太陽(yáng)能電池板的輕便性能受到關(guān)注。

（2）多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池板。

通過(guò)模擬法得到的太陽(yáng)電池修正結(jié)果，ISC＝25.4mA／cm2短路電流密度，VOC＝0.48V開(kāi)路電壓，F(xiàn)f＝0.68填充因子，η＝7.7%轉(zhuǎn)化效率。

對(duì)于最佳設(shè)計(jì)：a－Si／μC－Si二端子級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，前提條件：當(dāng)?shù)撞侩姵氐摩藽－Si膜厚度為0.3μm時(shí)，a－Si的最佳膜厚為0.4μm。其綜合輸出特性參數(shù)如下：

其中，JSC＝16.3mA／cm2短路電流密度，VOC＝1.45V開(kāi)路電壓，F(xiàn)f＝0.778填充因子，轉(zhuǎn)換效率η＝18.4。

當(dāng)太陽(yáng)能電池板的面積S為10cm×10cm時(shí)，

有：短路電流＝電路電流密度×面積，ISC＝JSC×S＝16.3×100＝1.63A，

此時(shí)是理想情況下的輸出功率。考慮到中間過(guò)程中的損耗及隨著太陽(yáng)光強(qiáng)度變化，會(huì)發(fā)生變化，Pmax也會(huì)發(fā)生變化，其中Pin隨光強(qiáng)變化曲線如圖2所示。

圖2 Pin隨光強(qiáng)變化曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)化效率為η＝18.4%，Pmax＝1.8388W，Pin＝對(duì)應(yīng)日照強(qiáng)度最強(qiáng)。進(jìn)而說(shuō)明了要達(dá)到最大輸出功率，在最高太陽(yáng)光入射強(qiáng)度時(shí)，不能滿足其光強(qiáng)要求，所以又通過(guò)加菲涅爾透鏡，提高太陽(yáng)光照強(qiáng)度的必要性。

當(dāng)光強(qiáng)為0.6kW／m2以上時(shí)，可以達(dá)到每天6h的充電量，假設(shè)光強(qiáng)為0.6kW／m2時(shí)，Pmax＝Pin×η＝6×0.184＝1.104W，可見(jiàn)多晶硅薄膜太陽(yáng)電池的性能也是一種性價(jià)比極高的太陽(yáng)能電池板，但是由于現(xiàn)在生產(chǎn)比較昂貴，此文中制作便攜式充電器采用折中性能的非晶硅太陽(yáng)能電池板是最好的選擇。

（3）非晶硅太陽(yáng)能電池及設(shè)計(jì)。白天各個(gè)時(shí)刻非晶硅太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電流如圖3所示，數(shù)據(jù)表格如表7所示（參數(shù)：電池板面積16.4cm×7.4cm）。

圖3 白天非晶硅太陽(yáng)能電池板的短路電流

表7 白天非晶硅太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電流數(shù)據(jù)

由于所用的非晶硅太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓2V，短路電流600～700mA，此課題制作的便攜式太陽(yáng)能充電器所需要輸出功率為2.5W，所以將3塊非晶硅太陽(yáng)能電池板串聯(lián)，使開(kāi)路電壓達(dá)到5V以上。

太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)圖（太陽(yáng)能電池板面積為16.4cm×7.4cm）如圖4所示。外加一個(gè)低值電阻分部分電壓，通過(guò)升壓電路即可把光能轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在鋰離子電池中，達(dá)到儲(chǔ)存光能的效果。

3.3.3 菲涅爾透鏡提高太陽(yáng)能吸收效率的研究

為將太陽(yáng)能電池充電效率提高，可以考慮將太陽(yáng)光匯聚在面積有限的太陽(yáng)能電池板上，而太陽(yáng)能聚光器是一種可以通過(guò)增加光留密度提高太陽(yáng)能電池效率的儀器，其又可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)分為透射式聚光器和反射式聚光器。本文中將采用的菲涅爾透鏡是一種透射式聚光器，輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖4 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)圖

圖5 輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關(guān)系

表8為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（參數(shù)：電池板面積8.2cm×7.4cm）。

表8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）隨著菲涅爾透鏡面積的增加，聚光倍率增大，輸出功率增加，可增強(qiáng)為無(wú)菲涅爾透鏡時(shí)的15倍以上，因此在不燒壞PN結(jié)（P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體基底上，在它們的交界面形成的空間電荷區(qū)稱PN結(jié)）的前提下，采用菲涅爾透鏡的聚光作用效果很好。考慮到太陽(yáng)能電池板可能被燒壞，需要在其下邊增加散熱材料，可以間接提高太陽(yáng)能電池板的功率。

（2）隨著菲涅爾透鏡面積的不斷增強(qiáng)，在面積比達(dá)到10的時(shí)候，輸出光電流還在增強(qiáng)，沒(méi)有達(dá)到飽和點(diǎn)，說(shuō)明其利用價(jià)值非常高。

（3）非晶硅太陽(yáng)能電池板與電路參數(shù)的匹配。

4 結(jié)語(yǔ)

將拆機(jī)電池回收利用，低碳環(huán)保；使用太陽(yáng)能電池充電，綠色能源利用；通過(guò)菲涅爾透鏡，有效提高太陽(yáng)能電池效率。拆機(jī)電池與非晶硅太陽(yáng)能電池的組合應(yīng)用具有很大的推廣應(yīng)用空間，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：體積小、重量輕、電池可折疊，方便攜帶；市電、太陽(yáng)能電池雙供電，便于野外工作；拆機(jī)電池原材料來(lái)源廣泛，且可利用價(jià)值高，節(jié)能環(huán)保；菲涅爾透鏡可同時(shí)用于引火等其他野外應(yīng)用。

［1］ 鄒建兵.用于聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)的菲涅耳透鏡的制作研究［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

［2］ 陰軍英，張 超，王彩紅.廢舊鋰電池的回收和綜合利用研究［J］.廣東化工，2011，38（7）：84～87.

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