太阳能充电宝的设计与实现

吕佳鑫+徐钰+周为

摘 要：随着全球环境污染与能源危机问题的日益严峻，对清洁能源的应用研究已成为世界备受关注的课题。当今光伏发电技术日趋成熟，光伏发电系统的运用已纳入我国绿色建筑评价体系范畴。然而对于光伏发电系统与建筑结合的电气设计方法还没有形成相对完善的体系，因此本文将光伏发电系统与常用的手机充电宝结合，设计一种便携式太阳能手机充电宝。

关键词：光伏；技术；概述

光伏发电技术，利用半导体器件（如光伏电池）接受太阳能辐射，并将太阳能直接转化为电能。光伏发电系统中主要包括光伏电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部件。光伏电池组件接受太阳光辐照产生光生伏特效应，将太阳能转换为电能；由控制器来对光伏发电系统的运行进行管理；蓄电池可存储及释放电能；逆变器将系统中的直流电变为交流电供交流负载所用。

太阳能照射在光伏电池的P-N结上可产生光生伏特效应。光生伏特效应，是太阳光照射到半导体即光伏电池的表面，其中内部电荷的分布形态发生产生改变，进而产生电动势。太阳光照射至半导体表面时，P-N结中会产生数对正负电荷，在P-N结区域中正负电荷分离，向光伏电池板两侧运动，此时连通外电路，即可输出电能。

一、根据组成光伏电池的材料类型，主要可分为硅型、非硅半导体、有机光伏电池三类

硅型光伏电池是目前发展较为成熟的光伏电池种类，在实际应用中占重要的位置。硅型光伏电池包括以下几种：

1.单晶硅光伏电池：该材料结晶完整，光电转换率最高，技术最为成熟，大规模量产的该种电池光电转换率约为15%，但其成本较高。

2.多晶硅光伏电池：该材料晶体方向无规律性。由于晶体晶界连接不具规则性，则在晶界连接处电荷会产生一定损耗，在P-N结区的分离不完全，因而该种光伏电池的光电转化效率较单晶硅型略低。量产的该类电池转换率约为10%。其成本较低。

3.非晶硅光伏电池：该种光伏电池具有跨度在5%-75%的透光度。但其光电转换效率较低，稳定性也低于晶体光伏电池。其成本价格较低，主要用于弱光性电源。

（1）系统控制器。在光伏发电系统中，控制器是管理、控制系统的重要装置。控制器需要依据系统的不同功能、工作任务和功率容量来确定。

其主要功能有充放电控制，防止蓄电池过压充电及进入过充状态，保持蓄电池的寿命；负载控制，为满足负载需求对输出电压进行控制，对根据原始设计对负载量进行调整保证主要负载对象能正常工作；系统控制，以微处理器为核心，完成系统所需要的各种功能并进行拓展；备用电源切换，当控制器巡检时发现蓄电池亏空则将自动切换至柴、汽油发电机等备用电源；系统保护控制，光伏发电系统应具有民用建筑系统中的保护功能，如负载短路、过电压、欠电压、过电流等的保护作用。

（2）逆变器。光伏发电系统中，阳光直射光伏组件产生直流电，而工程应用中，多为交流负载，故需要将直流电转化为交流电。逆变器可将直流电变转换为交流电。立足于光伏系统应用，根据并网与否来看，可将逆变器分为离網型和并网型两类。

（3）离网型逆变器。独立光伏发电系统中使用离网型逆变器。此类逆变器通常采用 INTEL 专用微机处理器，DSP 芯片控制；可输出纯正弦波、稳压、稳频；具有过、欠压、过载和短路等保护功能；该类逆变器具有可靠性高、效率高、稳定性强的特点。离网型逆变器可用于户用太阳能电源系统、风力发电电站、通信基站、无人戍守的边防及海岛、油田设备供电等。

（4）并网型逆变器。并网逆变器主要包括两级式和单级式两类。此两种逆变方式是根据能量变换形式不同而确定。两级式逆变器中两个环节具有独立的控制目标和方式，容易实现充电宝充放电的控制；单级式逆变器利用一级能量转换，其可以实现并网逆变与此同时可进行最大功率跟踪，在占地面积及质量上有所减少，而且提高了充电宝充放电的效率，经济性较强。大型逆变器一般采用单级式结构。

蓄电池是将白天光伏组件接受太阳辐照产生电能，经充放电控制器，把电能传输至蓄电池储存，并太阳光条件补充足的情况下为负载供电。

蓄电池使用的主流中有普通铅酸型、铅酸免维护型、胶体型和碱性镍镉型。由于铅酸免维护型和胶体型具有免维护性，不会引起对环境的破坏，适用于对太阳能发电系统性能要求高的环境。

蓄电池容量的选择受诸多因素的影响，主要因素有：日负载需求，蓄电池放电深度，环境温度及独立运行天数。为满足负载在光伏系统不工作的条件下正常工作。

充电宝充放电控制器应根据系统中的各项指标来进行选择，同时应参考产品样本。现将选型过程中应考虑的几项技术指标加以分析。

应考虑系统的工作电压在5V左右。充放电控制器应针对系统选用蓄电池的工作电压进行匹配，而此值应与输出电压及交流逆变器的参数相匹配。

应考虑控制器的额定输入电流及输入路数。控制器的额定输入电流应根据光伏方阵的输入电流来确定，控制器的额定电流应大于等于光伏组件的输入电流。控制器的输入路数应不小于光伏反震的输入路数。对于容量较小的情况，可选择只有一路输入的小功率控制器，因此各路光伏串的输出电流不应大于控制器允许通过的最大电流。

控制器选型除满足上述技术数据要求外，还应考虑其物理因素。根据工作环境的温度来选择控制器的工作温度范围；若控制器在室外安装其防护等级需要较高，为IP65，若其在室内工作，防护等级选择 IP54 即可；其外形尺寸根据输入路数的多少及厂家样本来确定。

参考文献：

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[2]李建忠，尹志新，秦嵩.太阳能光伏发电应用研究进展综述[J].广西大学学报（自然科学版），2009，34（1）：192-197.

[3]谢建，马勇刚，廖华.太阳电池的原理和性能[J].可再生能源，2007，25（2）：111-113.endprint