1、天津中德职业技术学院毕业设计项目名称： 太阳能充电器 设 计 人： 韩 昭 所在院系： 电气与能源学院 专业年级： 11 新能源 1 班 联系电话： 18202676371 指导教师： 张链 职称： 完成日期： 年 月 日目 录摘要. 1绪论. 2第一章 概述. 11.1 太阳能能源背景 . 11.2 太阳能电池国内发展状况. 11.3 太阳能电池的发展前景. 2第二章 设计目的及思路. 22.1 设计目的. 22.2 设计思路及分析. 22.3 设计框架图. 3第三章 太阳能充电器的主要构成部件. 43.1 太阳能电池板的介绍. 43.2 USB 标准充电接口. 63.3 三端稳压集电路 7
2、805.73.4 升降压电路 LM-2557-ADJ.83.5 自锁六角开关. 8第四章 充电器电路图及工作过程分析. 114.1 充电器原理图. 114.2 太阳能电池板充电电路. 114.3 升压电路. 124.4 稳压电路. 13第五章 太阳能电池的主要参数及影响因素. 165.1 光伏电池的主要参数. 165.2 影响因素.175.2.1 光照强度对光伏电池转换效率的影响. 175.2.2 温度对光伏电池输出特性的影响. 17第六章 调试过程及结果. 186.1 电池板安装角度的计算与确定.186.1.1 最佳方位角的确定. 186.1.2 最佳倾角的确定.206.2 调试结果.216
3、.3 样机充电实验数据图及其分析. .25第七章 总结. . . 26参考文献. 270摘 要21 世纪，能源危机日益严重，积极寻找替代能源，开发节能技术尤为重要，作为新能源之一的太阳能，其电池的性能测试问题尤为受到关注。手机作为信息社会的一种通用商品，如今在世界范围内得到广泛的普及，而作为手机能源的提供者电池的储能总是十分有限，几乎所有的用户都曾遇到过外出或通话过程中电池耗尽的尴尬，尤其是对于经常在野外作业的用户来说，而太阳能作为一种可再生能源逐步在各个领域得到广泛应用。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。若能以太阳能电池组件为基础，设计出成本低廉的
4、太阳能手机充电器，直接完成太阳能辐射到电能转换，必然会为个人移动通信带来极大的方便。该设计主要完成了具有不同于目前市场销售的同类产品的太阳能手机充电器的设计工作。该充电器工作稳定、可靠，使用灵活。本文试图设计一种切实可行的太阳能充电控制器对手机充电。重点研究了用三顿稳压器 7805 实现太阳能充电控制技术。包括系统的硬件电路设计、各部分电路的功能、工作原理和电子元器件型号的选取。完成了整个太阳能充电控制器电路原理图的设计和制作。但是由于时间关系，太阳能手机充电器的外观及功能做的不是相当美好。本文还对太阳能电池的结构原理、太阳能电池板的伏安特性、常用的铅酸蓄电池原理及工作情况作了详细介绍，并在此
5、基础上介绍常用的蓄电池充电方法。关键词：能源危机；太阳能电池；三顿稳压器 7805；太阳能电池测试1绪 论太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是 21 世纪新型能源开发的重点课题。目前太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能路灯、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等，太阳能是一种清洁的“绿色”能源，因此，世界各国都十分重视太阳能电池的研究和利用。近年来，各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程，学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而，传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路，测试过
6、程中不但经常发生短路、断路等现象，导致太阳能电池、光强计等设备的损坏，而且由于测试环境开放，测试时受到外界光源影响，导致最终测试结果不理想。为了解决传统实验中的弊端，本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接，并连出电路关键的测试点，方便实验时数据的测量；同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中，从而减少外界环境对实验的影响。本设计方案新颖，内容先进，着重从实际应用的角度出发，在比较传统太阳能电池性能测试实验的基础上，力求创新，兼容市场上使用较为广泛的非晶硅太阳能电池，具有很强的实用性。本设计共分 7 章：第 1 章主要是太阳能的概述；第 2、3、4 章主要是讲太阳能充电
7、器的设计思路、主要构成部件和太阳能电池原理；第 5、6 章主要是讲太阳能充电器电路图及工作过程分析和主要参数及影响因素；第 7 章则给出了调试的过程及结果。0第 1 章 概述1.1 太阳能能源背景21 世纪,新能 源和清洁的可再生能源的开发将成为影响世界经济发展的技术领域,其中，太阳能能否在未来被充分的开发和利用已成为世界各国政府及科研机构必须面临的挑战，作为其中之一的太阳能发电技术，更是受到人们的普遍关注。未来，太阳能发电技术将被大规模的应用于各个行业和领域，这都是因为太阳能发电具有许多其他能源无法具有的优点，其中就包括没有噪声，没有污染，不消耗燃料，不需要复杂的机械结构，不需要专门的看守人
8、员，建造方便，维护方便，故障率低，规模可大可小，不需要远程传输，可方便地与各种器械设施或建筑相结合等。近年来，太阳能电池发电技术在国际上飞速发展，例如，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划，世界光伏市场开始由边远的农村和特殊应用向家用发电和大规模使用的方向发展，光伏发电已经由补充能源向替代能源转变 1。我国的能源资源储量也面临着各种各样的危机。现已估算，我国的能源总量仅相当于为八千多亿吨标准煤，其中已探明的可开发能源总储量仅相当于一千三百余亿吨标准煤，约占世界能源总储量的百分之十左右，我国已探明的可开发能源总储量的结构为：原煤占 58.8%，原油占 3.4%，天然气占 1.3%，水能占
9、 36.5%。这些能源储备仅能保证我国未来 129 年的使用，这其中，原煤仅够 114.5 年的使用，原油仅够 20.1 年的使用，天然气仅够49.3 年的使用。由上面的能源数据来看，我国的新能源开发问题已迫在眉睫，如何找到一种可源源不断，又没有污染的能源已成为必须考虑的问题。太阳能，作为满足条件的能源之一已备受人们的关注，以太阳能为动力的太阳能电池将是未来世界的主要能源之一。1.2 太阳能电池的国内发展状况1958 年，我国开始对光伏技术的研究，主要的研究对象是p/n型单晶硅太阳能电池，1963 年，我国的单晶硅太阳能电池的光伏 转换效率已达 12.9%，当时的n/p型硅太阳能 电池光电转换
10、效率比p/n型低，它主要的目标是空间应用。1969 年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津 18 所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产太阳电池阵。1971 年我国制造的第一颗科学实验卫星使用的就是n/p型电池。在重点研究空间太阳能电池的同时，1也开展了地面使用太阳能电池的开发。1998 年，中国政府开始关注太阳能发电，拟建第一套 3MW多晶硅电池及应用系统示范项目。近些年来我 国在“973”和“863”等重大项目中，也将太阳能电池的研究和发展放到了非常关键的位置。在我国的国家“十五”科技攻关计划中重点提出对光伏技术项目的研究都有重大安排。从 2003 年起，我国太阳能电
11、池产业增长加快，估计在近期还会有新的研究成果出现，我国太阳能电池工业正进入了一个快速发展阶段。目前我国重点研究目标是对薄膜硅基太阳能电池的研究与应用，正大力发展太阳能电池发电计划，所以，未来我国的主要能源将由化石燃料逐步转变成清洁的太阳能。1.3 太阳能电池的发展前景时至今日，太阳能电池的发展仍存在很多局限性，例如生产成本高、运行效率低以及耐用性问题。但在未来随着技术和材料的创新，这些太阳能电池发电的不足都将被消除。最近，美国 W.E.Spear 公司开发了一种新型薄膜太阳能电池材料，其生产成本仅为传统单晶硅电池的百分之一，且发电能力稳定；近日，夏普公司宣布，他们已研发了一种太阳能电池转换效率
12、达到 43.5%，其刷新了太阳能电池转换效率为 36.9%的最高纪录，被称“展示了绿色能源的光明未来”。第二章 设计目的及思路 2.1 设计目的随着通信技术的迅猛发展，化石能源被日益消耗甚至即将面临枯竭，全球能源问题日益严重。另外人们的环境保护意识越来越强烈，寻找各种清洁能的源来代替化石能源变得尤为重要。太阳能作为一种可再生资源有取之不尽用之不竭的有点，并且清洁安全。因此太阳能有着广泛的应用前景。如今是信息化大爆炸的时代，手机早已经走进了千家万户。然而当人们出门旅行时，手机充电不方便始终困扰着大家。因此设计一种太阳能充电器对于用户来说既方便又节能。人们可以随时随地对手机充电啦！本课程设计介绍一
13、种太阳能充电器，将太阳能经过电路转换为稳压电源给手机充电，与常规的充电器相比有着明显的优势。即方便快捷，又节能环保。2.2 设计思路和分析 2太阳能充电器，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，整个系统由太阳能电池板、升压电路、稳压电路等组成。本设计采用太阳能电池板对肖基特二极管进行供电，经升降压变换输送到三端稳压器，使其可以提供各种手机充电所需的电压对手机进行充电。设计了具有可调电阻的太阳能充电电路，对手机充电时所需的电压大小进行调节。2.3 框架图此太阳能手机充电器是利用光生伏特效应将光能转换成电能，其电能通过稳压器可直接给手机电池充电，也可将电能储存于蓄电池，在无太阳能时对手机充电
14、。其基本框图如下： 太阳能电池板 可 调 电 压 输 出稳 压 输 出 接 负 载充 电 指 示 手 机开 关 验 钞外 用反 接 保 护 照 明用 途 识 别图 21 太阳能电池板在使用的时候，由于太阳光线的变化，温度的大小等因素，导致其输出电压不稳定，输出电流小。所以必须利用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后方可供给手机充电。在光线条件适宜的时候，通过太阳能电池板吸收太阳光，就可以将光能转换为电能。3第三章 太阳能充电器的主要构成部件3.1 太阳能电池板部分太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，而如今便携式数码设备种类较多
15、，所需电压电流各不相同。对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，但是又不方便携带。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合，使其具有一定要求的输出功率和输出电压。本文以手机、MP3 等常用小功率用电设备为例，简述其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下： 尺寸为 120mm45mm，峰值电压为 6V，峰值电流为 100mA，标称功率为 0.6W。同时考虑到被充电电池的电流不同，所需充电时间也就不同，故采用相同参数光伏组件进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为 7.2V,电流最大可达 1200mA，总标称功率为 8W 左右,实际输出
16、可根据不同的充电对象进行平滑调整。太阳能光伏电池板的工作原理如下图 3-1 所示，当光波照射到半导体表面的时候，半导体内部 N 区和 P 区中的价带电子由于受到太阳光子的冲击，吸收太阳能量发生能级跃迁激发导带，从而产生了许多处于非平衡状态的电子一空穴对。由于 PN 结电场的存在，这些电子（空穴对）运动到 PN 结区产生分离，其中正电荷和负电荷分别聚集从而产生了与 PN 结势电场相反的光生电场，当接通外部电路环路时，电子（空穴对）的运动产生直流电流，从而对外输出电能。因为单个 PN 结产生的光生电势比较小(约 0.7V 左右)，在实际应用中，多将许多个小的太阳能光伏电池单元通过串联或者并联组合在
17、一起构成光伏电池组件，所以可以输出更大的电能。图 3-2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的 I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。但是，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流 (ISC)，它与 VOC 都是决定电池工作性能的主要参数。因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。4图
18、3-1 太阳能光伏电池工作原理图 3-2 太阳能电池 I-V 特性在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大的电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图 3-3）。
19、实践中的问题在于，太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。5图 3-3 太阳能电池板输出特性3.2 USB 标准充电接口欧美已采用 microUSB 作为手机充电器标准从明年开始 microUSB 将作为手机充电器生产的标准，目前欧盟委员会已经批准了 14 家领先手机厂商达成的一项协议，同意采用 microUSB 手机充电器标准，这应该会在未来使充电器可在一系列广泛的设备中兼容使用。通用的充电器将让消费者的生活变得更加轻松，还能减少浪费和让企业从中受益，这确实是一种双赢的作法。欧盟委员会负责产
20、业与企业事务的委员安东尼奥塔加尼(Antonio Tajani)发表声明称：“我对欧盟标准化机构已经满足了我们有关开发通用手机充电器所必需的技术标准的请求感到十分高兴，现在轮到手机行业来证明其出售用于这种新充电器的手机的承诺。有关采用通用充电器标准的努力始于 2009 年，其目的不仅是让消费者生活变得更加轻松，同时也是为了减少浪费，原因是通用标准将使手机用户在购买新手机后不需要再去寻找足够适配的充电器。支持采用这种新标准的 14 家公司分别是苹果、Emblaze Mobile、华为、LGE、摩托罗拉移动、NEC、诺基亚、高通、RIM、三星、索尼爱立信、TCT Mobile、德州仪器和 Atmel。首批使用这种新标准生产的产品已经在 2011 年上半年在欧洲上市。
