智能太陽能補(bǔ)電手機(jī)殼的設(shè)計

甘肅鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院 ■ 樊寅虎 秦帥兵 臘志源 鄭錦浩 馮黎藝 羅勇

0 引言

手機(jī)作為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?，全國手機(jī)每天的耗電量超過8 億kWh，消耗巨大；而現(xiàn)在利用清潔無污染、可再生的光伏發(fā)電已成為一種必然趨勢，因此，在日常使用手機(jī)時，利用光伏發(fā)電對手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電，可減緩手機(jī)耗電速度，節(jié)省大量能源[1-2]?；诃h(huán)保及便攜補(bǔ)電的實(shí)際需求，太陽能便攜補(bǔ)電裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，利用太陽能給充電寶充電的技術(shù)已相當(dāng)完備。以充電寶內(nèi)部蓄電池作為儲電設(shè)備，將光伏組件采集到的電流經(jīng)過升壓穩(wěn)壓后得到5 V穩(wěn)定電壓的電流儲存在蓄電池內(nèi)部，使用時以5 V、1 A 的恒定電流對手機(jī)充電[3]。目前已有的太陽能手機(jī)充電器絕大多數(shù)采用蓄電池作為中繼儲能設(shè)備，先采用光伏組件或外部電源對蓄電池充電，使用時再利用蓄電池給手機(jī)充電；同時采用單片機(jī)通過AD 轉(zhuǎn)換采集手機(jī)電池端口電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以控制充電電路的通斷[4-6]。但采用蓄電池作為中繼儲能設(shè)備或采用單片機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制都必然會存在充電設(shè)備實(shí)物體積較大、不便攜帶、損耗高、效率低等缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計了一種智能太陽能補(bǔ)電手機(jī)殼，不配置蓄電池，直接給手機(jī)充電，并且可根據(jù)光伏組件感光情況自行選擇工作模式，具有體積小、損耗少、便于攜帶且使用方便的特點(diǎn)。

與通常在手機(jī)正常使用時采用功率充電裝置增加手機(jī)電池電量的“充電”方式不同，由于本設(shè)計中的單晶硅光伏組件面積較小，輸出功率很小，不足以完全替代手機(jī)的正常充電，只能減緩手機(jī)電池電量的消耗速度，延長手機(jī)使用時間，因此，本設(shè)計的工作模式稱為“補(bǔ)電”。本設(shè)計既符合節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代消費(fèi)理念，亦可為太陽電池的廣泛應(yīng)用提供一種思路，同時也解決了手機(jī)充電時需要尋找電源插頭的不便。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計的智能太陽能補(bǔ)電手機(jī)殼以單晶硅光伏組件作為補(bǔ)電電源，整個裝置由太陽能采集模塊、降壓穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。由于室內(nèi)光照較弱，僅1 塊單晶硅光伏組件不足以提供足夠的功率給手機(jī)補(bǔ)電，考慮到折疊式手機(jī)殼的正反面都具有較大的面板，因此，設(shè)計采用折疊式手機(jī)殼在其正反面除放置手機(jī)外的另外3 面布置3 塊單晶硅光伏組件進(jìn)行補(bǔ)電，如圖1所示。

圖1 組件與手機(jī)殼外觀布置示意圖

本方案采用3 塊實(shí)際受光面積為80 mm×160 mm 的單晶硅光伏組件作為電源，單塊組件的轉(zhuǎn)換效率為19%，標(biāo)稱輸出功率為1.9 W。使用普通布制材料固定3 塊光伏組件的位置，在1#組件背面粘附與手機(jī)型號對應(yīng)的手機(jī)殼，用來固定手機(jī)位置，手機(jī)殼采用較為輕薄的塑料質(zhì)地。降壓穩(wěn)壓模塊采用貼片型電路設(shè)計，縮小體積，最終作為手機(jī)下托固定在1#組件背面手機(jī)殼的下方；采用USB 線連接USB 端口給手機(jī)補(bǔ)電。采用下托式設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是可以增大組件的受光面積，提高輸出功率。在無手機(jī)充電器的情況下，可以通過降壓穩(wěn)壓模塊的USB 線給手機(jī)補(bǔ)電。

在實(shí)際使用時，折疊式手機(jī)殼上的3 塊單晶硅光伏組件可能不能同時感光工作。若將3 塊組件串聯(lián)，當(dāng)其中1 塊組件被遮擋無法接收光照時，不感光的組件不僅不產(chǎn)生功率，還會吸收另外2塊感光組件產(chǎn)生的功率，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致整個支路產(chǎn)生的功率為負(fù)；若將3 塊組件并聯(lián)，又會面臨光照較弱時組件輸出電壓太低，導(dǎo)致功率不足的問題。因此，首先要解決3 塊光伏組件組合時的發(fā)電功率控制問題，即組件的串、并聯(lián)問題。

本設(shè)計中的太陽能采集模塊包含2 條光伏組件支路，采用的方式為：將2 塊組件串聯(lián)作為一條支路，另1 塊組件單獨(dú)作為另一條支路，然后2 條支路并聯(lián)，分別工作?？紤]到在“1條支路感光工作，另1 條支路無感光不工作”時，不工作支路上的組件會作為負(fù)載消耗一部分電能，因此設(shè)計時在2 條支路上各安裝了1 個光敏二極管，利用其光敏特性控制其所在支路的通斷，以確保在無感光時可及時切斷對應(yīng)支路，防止該支路組件作為負(fù)載消耗電能，解決光伏組件相互影響及電壓不足的問題。

本設(shè)計中的降壓穩(wěn)壓模塊包含高電平檢測器、發(fā)光二極管、降壓穩(wěn)壓芯片、反饋調(diào)節(jié)電路、穩(wěn)壓管及LC 濾波電路，其中，降壓穩(wěn)壓芯片采用TD1410，穩(wěn)壓管采用SS34。由降壓穩(wěn)壓芯片輸出的電流經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，利用LC 濾波電路減少高、中頻干擾，然后將電流輸出給手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電。同時，在輸出端通過反饋調(diào)節(jié)電路采樣輸出電壓反饋給降壓穩(wěn)壓芯片，確保輸出電壓恒定。整體系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 整體系統(tǒng)設(shè)計圖

2 太陽能采集模塊的設(shè)計

如前文所述，本設(shè)計中的太陽能采集模塊采用2 條單支路并聯(lián)的設(shè)計。其中，支路1 串聯(lián)2 塊光伏組件，設(shè)計在手機(jī)殼背面；支路2 為1塊光伏組件，設(shè)計在手機(jī)殼正面。太陽能采集模塊的設(shè)計如圖3所示。

每條支路都串聯(lián)了1個光敏二極管作為開關(guān)，利用其光敏特性來控制該支路是否接入整個太陽能采集模塊電路。當(dāng)手機(jī)殼朝上或朝下放置時會遮擋住其背面或正面，即圖1中的3#組件受光面朝下或1#、2#組件受光面朝下，此時有一面會無感光，可通過該面所在支路上的光敏二極管控制斷開該支路，使該支路的組件無法從另一感光支路上吸收功率。如此設(shè)計，無論哪一面感光，該支路上的組件均可獨(dú)立正常工作，給手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電。

根據(jù)實(shí)際使用情況，該太陽能采集模塊共有單塊光伏組件供電、雙光伏組件串聯(lián)供電、雙支路并聯(lián)供電3 種工作模式。

圖3 太陽能采集模塊原理圖

2.1 工作模式1：單塊光伏組件供電

當(dāng)手機(jī)在使用中時，3#組件受光面朝上，1#、2#組件受光面朝下，此時為1 塊光伏組件供電。支路2 上的光敏二極管感光導(dǎo)通，3#組件接入電路工作；支路1 上的光敏二極管無感光，該支路斷開，1#、2#組件不接入電路。該工作模式下，只有3#組件感光工作，給手機(jī)補(bǔ)電。

2.2 工作模式2：雙光伏組件串聯(lián)供電

當(dāng)手機(jī)不使用，手機(jī)屏幕朝下放置時，1#、2#組件受光面朝上，3#組件受光面朝下，此時為2 塊光伏組件串聯(lián)供電。支路1 上的光敏二極管感光導(dǎo)通，1#、2#組件接入電路工作；支路2 上的光敏二極管無感光，該支路斷開，3#組件不接入電路。該工作模式下，只有1#、2#組件感光工作，給手機(jī)補(bǔ)電。

2.3 工作模式3：雙支路并聯(lián)供電

當(dāng)手機(jī)豎直或傾斜放置時，1#～3#組件均感光，此時為雙支路并聯(lián)供電。2 個支路上的光敏二極管均感光導(dǎo)通，支路1 上的1#、2#組件串聯(lián)后再與支路2 上的3#組件并聯(lián)接入電路。該工作模式下，手機(jī)殼上的3 塊組件均感光工作，給手機(jī)補(bǔ)電。

3 降壓穩(wěn)壓模塊設(shè)計

3.1 降壓穩(wěn)壓模塊結(jié)構(gòu)

降壓穩(wěn)壓模塊主要對太陽能采集模塊輸出的電流進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。太陽能采集模塊的3 種工作模式可輸出電壓為4.6～12.44 V 的電流，經(jīng)過降壓穩(wěn)壓模塊后，得到穩(wěn)定電壓為5.29 V 的輸出電流。降壓穩(wěn)壓模塊由太陽能采集模塊輸出的電流供電，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 降壓穩(wěn)壓模塊原理圖

以太陽能采集模塊產(chǎn)生的電流作為輸入，由TD1410 電平檢測器EN 端檢測輸入電平的高低，EN 端輸入為高電平時工作。TD1410 進(jìn)行降壓穩(wěn)壓后，輸出穩(wěn)定電流經(jīng)穩(wěn)壓管SS34 穩(wěn)壓，再通過LC 濾波電路減少高低頻干擾，得到穩(wěn)定電壓；同時反饋回路通過輸出端的分壓電阻對輸出電壓大小進(jìn)行采樣，反饋給TD1410，調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定；最后輸出穩(wěn)定電壓為5.29 V 的電流，對手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電。

3.2 降壓穩(wěn)壓模塊的詳細(xì)設(shè)計

降壓穩(wěn)壓模塊電路圖如圖5所示。該降壓穩(wěn)壓模塊的核心元器件為TD1410，該芯片的輸入電壓范圍為3.5～20 V，經(jīng)過降壓穩(wěn)壓后得到1.222～18 V 的可調(diào)電壓，基準(zhǔn)電壓UFB=1.222 V，通過輸出端分壓電阻調(diào)節(jié)輸出電流的電壓大小。輸出電壓需滿足：

式中，Ui為穩(wěn)壓電壓；R1、R2分別為電壓采樣的分壓電阻。

如圖5所示，R1=6.2 kΩ，R2=1.91 kΩ，代入式(1)，可得空載穩(wěn)壓電壓Ui=5.19 V。由于R1、R2阻值與實(shí)際阻值不同，存在系統(tǒng)誤差，實(shí)際測得空載穩(wěn)壓電壓為5.29 V。系統(tǒng)的設(shè)計值和實(shí)測值在允許的誤差范圍內(nèi)。

圖5 降壓穩(wěn)壓電路圖

本設(shè)計中的太陽能采集模塊在1 塊光伏組件工作時可產(chǎn)生4.6～6.22 V、20～140 mA 的電流，2 塊光伏組件串聯(lián)工作時可產(chǎn)生電壓為6.22～12.44 V 的電流，經(jīng)過降壓穩(wěn)壓模塊后可得到5.29 V、90～650 mA 的電流，帶上手機(jī)負(fù)載后，以4.2～5.29 V、20～90 mA 的工作電流輸出給手機(jī)補(bǔ)電。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為本設(shè)計的系統(tǒng)在3 種工作模式下的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，數(shù)據(jù)①是在光照極弱的條件下測得；數(shù)據(jù)②、③是在光照較弱的條件下測得；數(shù)據(jù)④～⑥是在光照充足的條件下測得。

表1 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

表1中僅為部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對比每種工作模式在3 種光照條件下的6 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知：

1)光照充足情況下的功率是光照極弱情況下的數(shù)10 倍。

2)采用工作模式1 和工作模式2 時，在光照條件下產(chǎn)生的開路電壓U0和開路電流I0之間沒有比例關(guān)系。光照充足時，單塊組件產(chǎn)生的電壓均為4.6～6.22 V，雙組件串聯(lián)產(chǎn)生的電壓為9.2～12.44 V，電流大小受光照條件的影響較大。經(jīng)過降壓穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定電壓，開路時穩(wěn)壓電壓U1=5.29 V，I2=KI1，但由于降壓穩(wěn)壓模塊內(nèi)部損耗受U0、I0的影響，系數(shù)K的值無法確定。開路電流I0或開路電壓U0增大，均會使降壓穩(wěn)壓模塊內(nèi)部損耗增加。

3)由數(shù)據(jù)②、③可知，在光照較弱的條件下，工作模式1 的輸出功率較低，接上負(fù)載時，輸出電壓降低較多，此時可以采用工作模式2 供電，以增大輸出功率。

4)由數(shù)據(jù)④～⑥可知，工作模式2 的輸出功率為工作模式1 的1～2 倍。由于實(shí)驗(yàn)中可能有某一塊組件的感光不好，使工作模式2 的輸出功率達(dá)不到工作模式1 輸出功率的2 倍，情況嚴(yán)重時工作模式2 的輸出功率甚至低于工作模式1，最后結(jié)果由實(shí)際的感光情況決定。

5)由數(shù)據(jù)①～⑥可知，在同一環(huán)境條件下，工作模式3 的輸出功率最高，其值僅略小于工作模式1 和工作模式2 的輸出功率之和。造成這一情況的原因是由于在實(shí)際使用時手機(jī)放置不合適，導(dǎo)致某一支路上的組件感光情況不好。

綜上所述，在光照充足的外部環(huán)境下，3 種工作模式都可以產(chǎn)生工作電流給手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電；工作模式2 的輸出功率為工作模式1 的1～2 倍，工作模式3 輸出功率最高，因此，在使用時可將手機(jī)豎直或傾斜放置，使補(bǔ)電裝置進(jìn)入工作模式3，以提高輸出功率。在光照較弱的外部環(huán)境下，若工作模式1 不足以產(chǎn)生足夠的電壓給手機(jī)補(bǔ)電，可以采用工作模式2，以提高輸出電壓。在光照極弱的外部環(huán)境下，即使工作模式3 也不足以產(chǎn)生足夠的電壓給手機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電，可以通過TD1410 內(nèi)部防逆流裝置防止手機(jī)電流逆流，避免補(bǔ)電裝置成為負(fù)載來消耗手機(jī)電能。

從上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，單晶硅光伏組件發(fā)電功率受光照影響很大，應(yīng)盡量在光照充足的環(huán)境下使用。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

實(shí)驗(yàn)采用的手機(jī)是vivo Y85 機(jī)型，該型號手機(jī)電池的實(shí)際電量為3260 mAh，可正常使用約8 h，平均每小時耗電約為400 mAh。本設(shè)計的補(bǔ)電裝置充電轉(zhuǎn)換效率約為70%，在光照充足時，3 種工作模式的充電電流均值約為80 mA。以此作為參數(shù)匡算如下：

該手機(jī)殼每小時可補(bǔ)充的電量為80 mAh×70%=56 mAh，則使用該手機(jī)殼每小時可延長手機(jī)使用時間為56÷400=0.14 h；使用該手機(jī)殼前、后的電池電量使用時間比值為1:1.14，據(jù)此可推算，使用該手機(jī)殼后能量節(jié)約比為12.3%。因此，本設(shè)計中能量的節(jié)約效益較為明顯，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

本文研制了一種智能太陽能補(bǔ)電手機(jī)殼，既可以給手機(jī)補(bǔ)電，便攜實(shí)用，又解決了室外手機(jī)充電需要電源插頭的限制；同時，利用太陽能補(bǔ)電也符合現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保的理念。在經(jīng)濟(jì)方面，本設(shè)計費(fèi)用不高，既可保護(hù)手機(jī)，又可在需要時利用太陽能給手機(jī)補(bǔ)電，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；在技術(shù)方面，本設(shè)計采用光伏發(fā)電原理，巧妙地利用組件的串、并聯(lián)設(shè)計，使其可在3 種不同光照條件下對手機(jī)補(bǔ)電。本設(shè)計的經(jīng)濟(jì)、社會效益明顯，具有較好的產(chǎn)品競爭力和市場前景。