太陽(yáng)能充電寶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂佳鑫+徐鈺+周為

摘 要：隨著全球環(huán)境污染與能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，對(duì)清潔能源的應(yīng)用研究已成為世界備受關(guān)注的課題。當(dāng)今光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)用已納入我國(guó)綠色建筑評(píng)價(jià)體系范疇。然而對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)合的電氣設(shè)計(jì)方法還沒有形成相對(duì)完善的體系，因此本文將光伏發(fā)電系統(tǒng)與常用的手機(jī)充電寶結(jié)合，設(shè)計(jì)一種便攜式太陽(yáng)能手機(jī)充電寶。

關(guān)鍵詞：光伏；技術(shù)；概述

光伏發(fā)電技術(shù)，利用半導(dǎo)體器件（如光伏電池）接受太陽(yáng)能輻射，并將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要包括光伏電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部件。光伏電池組件接受太陽(yáng)光輻照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能；由控制器來(lái)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行管理；蓄電池可存儲(chǔ)及釋放電能；逆變器將系統(tǒng)中的直流電變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫?fù)載所用。

太陽(yáng)能照射在光伏電池的P-N結(jié)上可產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)，是太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體即光伏電池的表面，其中內(nèi)部電荷的分布形態(tài)發(fā)生產(chǎn)生改變，進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。太陽(yáng)光照射至半導(dǎo)體表面時(shí)，P-N結(jié)中會(huì)產(chǎn)生數(shù)對(duì)正負(fù)電荷，在P-N結(jié)區(qū)域中正負(fù)電荷分離，向光伏電池板兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)連通外電路，即可輸出電能。

一、根據(jù)組成光伏電池的材料類型，主要可分為硅型、非硅半導(dǎo)體、有機(jī)光伏電池三類

硅型光伏電池是目前發(fā)展較為成熟的光伏電池種類，在實(shí)際應(yīng)用中占重要的位置。硅型光伏電池包括以下幾種：

1.單晶硅光伏電池：該材料結(jié)晶完整，光電轉(zhuǎn)換率最高，技術(shù)最為成熟，大規(guī)模量產(chǎn)的該種電池光電轉(zhuǎn)換率約為15%，但其成本較高。

2.多晶硅光伏電池：該材料晶體方向無(wú)規(guī)律性。由于晶體晶界連接不具規(guī)則性，則在晶界連接處電荷會(huì)產(chǎn)生一定損耗，在P-N結(jié)區(qū)的分離不完全，因而該種光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率較單晶硅型略低。量產(chǎn)的該類電池轉(zhuǎn)換率約為10%。其成本較低。

3.非晶硅光伏電池：該種光伏電池具有跨度在5%-75%的透光度。但其光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性也低于晶體光伏電池。其成本價(jià)格較低，主要用于弱光性電源。

（1）系統(tǒng)控制器。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器是管理、控制系統(tǒng)的重要裝置。控制器需要依據(jù)系統(tǒng)的不同功能、工作任務(wù)和功率容量來(lái)確定。

其主要功能有充放電控制，防止蓄電池過(guò)壓充電及進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)，保持蓄電池的壽命；負(fù)載控制，為滿足負(fù)載需求對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，對(duì)根據(jù)原始設(shè)計(jì)對(duì)負(fù)載量進(jìn)行調(diào)整保證主要負(fù)載對(duì)象能正常工作；系統(tǒng)控制，以微處理器為核心，完成系統(tǒng)所需要的各種功能并進(jìn)行拓展；備用電源切換，當(dāng)控制器巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池虧空則將自動(dòng)切換至柴、汽油發(fā)電機(jī)等備用電源；系統(tǒng)保護(hù)控制，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具有民用建筑系統(tǒng)中的保護(hù)功能，如負(fù)載短路、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流等的保護(hù)作用。

（2）逆變器。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，陽(yáng)光直射光伏組件產(chǎn)生直流電，而工程應(yīng)用中，多為交流負(fù)載，故需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。逆變器可將直流電變轉(zhuǎn)換為交流電。立足于光伏系統(tǒng)應(yīng)用，根據(jù)并網(wǎng)與否來(lái)看，可將逆變器分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。

（3）離網(wǎng)型逆變器。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用離網(wǎng)型逆變器。此類逆變器通常采用 INTEL 專用微機(jī)處理器，DSP 芯片控制；可輸出純正弦波、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻；具有過(guò)、欠壓、過(guò)載和短路等保護(hù)功能；該類逆變器具有可靠性高、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。離網(wǎng)型逆變器可用于戶用太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電電站、通信基站、無(wú)人戍守的邊防及海島、油田設(shè)備供電等。

（4）并網(wǎng)型逆變器。并網(wǎng)逆變器主要包括兩級(jí)式和單級(jí)式兩類。此兩種逆變方式是根據(jù)能量變換形式不同而確定。兩級(jí)式逆變器中兩個(gè)環(huán)節(jié)具有獨(dú)立的控制目標(biāo)和方式，容易實(shí)現(xiàn)充電寶充放電的控制；單級(jí)式逆變器利用一級(jí)能量轉(zhuǎn)換，其可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變與此同時(shí)可進(jìn)行最大功率跟蹤，在占地面積及質(zhì)量上有所減少，而且提高了充電寶充放電的效率，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。大型逆變器一般采用單級(jí)式結(jié)構(gòu)。

蓄電池是將白天光伏組件接受太陽(yáng)輻照產(chǎn)生電能，經(jīng)充放電控制器，把電能傳輸至蓄電池儲(chǔ)存，并太陽(yáng)光條件補(bǔ)充足的情況下為負(fù)載供電。

蓄電池使用的主流中有普通鉛酸型、鉛酸免維護(hù)型、膠體型和堿性鎳鎘型。由于鉛酸免維護(hù)型和膠體型具有免維護(hù)性，不會(huì)引起對(duì)環(huán)境的破壞，適用于對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)性能要求高的環(huán)境。

蓄電池容量的選擇受諸多因素的影響，主要因素有：日負(fù)載需求，蓄電池放電深度，環(huán)境溫度及獨(dú)立運(yùn)行天數(shù)。為滿足負(fù)載在光伏系統(tǒng)不工作的條件下正常工作。

充電寶充放電控制器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中的各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行選擇，同時(shí)應(yīng)參考產(chǎn)品樣本?，F(xiàn)將選型過(guò)程中應(yīng)考慮的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)加以分析。

應(yīng)考慮系統(tǒng)的工作電壓在5V左右。充放電控制器應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)選用蓄電池的工作電壓進(jìn)行匹配，而此值應(yīng)與輸出電壓及交流逆變器的參數(shù)相匹配。

應(yīng)考慮控制器的額定輸入電流及輸入路數(shù)?？刂破鞯念~定輸入電流應(yīng)根據(jù)光伏方陣的輸入電流來(lái)確定，控制器的額定電流應(yīng)大于等于光伏組件的輸入電流?？刂破鞯妮斎肼窋?shù)應(yīng)不小于光伏反震的輸入路數(shù)。對(duì)于容量較小的情況，可選擇只有一路輸入的小功率控制器，因此各路光伏串的輸出電流不應(yīng)大于控制器允許通過(guò)的最大電流。

控制器選型除滿足上述技術(shù)數(shù)據(jù)要求外，還應(yīng)考慮其物理因素。根據(jù)工作環(huán)境的溫度來(lái)選擇控制器的工作溫度范圍；若控制器在室外安裝其防護(hù)等級(jí)需要較高，為IP65，若其在室內(nèi)工作，防護(hù)等級(jí)選擇 IP54 即可；其外形尺寸根據(jù)輸入路數(shù)的多少及廠家樣本來(lái)確定。

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