【正文】 深入，人類對于太陽能的利用將會越來越多。但是，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在家庭小產(chǎn)品方面的應(yīng)用實例還是相對較少的，如目前使用太陽能充電的手機充電器還沒有被廣大消費者普遍接受。因此， 太陽能作為一種容易獲取、對環(huán)境無污染的綠色能源若能應(yīng)用到消費類產(chǎn)品中，對于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境問題有著巨大的意義。 手機充電器研究的背景及意義 自馬丁庫伯在 1973 年發(fā)明了手機，經(jīng)過幾十年的發(fā)展它已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的通訊工具。目前，中國已擁有 13 億的手機用戶，如果手機無法正常使用，將會給我們的工作、生活帶來許多的不便，甚至造成巨大的損失。手機充電器作為手機的一個必不可分的組件，它的性能好壞，會直接影響到手機的正常使用，所以手機充電器的作用至關(guān)重要。然而現(xiàn)在市場上有些充電器的 產(chǎn)品質(zhì)量并不能滿足要求，而且還存在著安全隱患。充電器的質(zhì)量、安全等一系列問題不僅直接影響著手機的正常使用，還使手機電池的壽命大大減少。尤其是安全問題特別重要，有關(guān)手機在充電過程中發(fā)生爆炸的事故很多，這很大程度上和手機充電器的質(zhì)量有關(guān)。所以手機充電器的質(zhì)量不能保證的話，一旦出現(xiàn)意外，就會產(chǎn)生難以想象的危害。而智能充電器能夠?qū)Τ潆娺^程進行控燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 制，不僅可以在充電過程中對電池進行保護，還可以防止過電壓并控制充電溫度 [1]。還存在的一個問題是，手機電池的儲能是有限的，外出遠(yuǎn)離市電的人們經(jīng)常會遇到手機沒電又無法及時補充電 能的情況，這時，太陽能手機充電器的優(yōu)點就顯現(xiàn)出來。首先，它特別適合應(yīng)急的場合，只要有陽光的地方就可以進行充電；其次，它體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保的理念，是一款綠色的產(chǎn)品。綜上所述，太陽能手機充電器具有非常廣闊的發(fā)展前景和巨大的現(xiàn)實意義。 市場產(chǎn)品概況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 市場產(chǎn)品概況 如今，市場上手機充電器的類型主要有旅行手機充電器、座式充手機電器、車載手機充電器、無線手機充電器、太陽能手機充電器等。目前，市場上銷售最多的是旅行手機充電器，嚴(yán)格地從充電電路進行分析，只有非常少的一部分充電器屬于真正意義 上的智能控制手機充電器?，F(xiàn)在一些較好的手機充電器有如下特點：多電壓可選、限流保護、體積小、重量輕、快速充電、自動關(guān)斷等。而且隨著節(jié)能環(huán)保概念的提出，對手機充電器節(jié)能環(huán)保與可靠性也提出了更高的要求，因此，太陽能手機充電器必然成為以后手機充電器的一種發(fā)展趨勢。 太陽能國內(nèi)研究狀況 中國從 1958年開始了太陽能電池的研究，在 1971年成功應(yīng)用在東方紅二號衛(wèi)星上，于 1973 年開始應(yīng)用在地面上。可以說我國的光伏發(fā)電起步較晚，但是發(fā)展速度較快。中國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在 20 世紀(jì) 80 年代以前一直處于起步階段，但是隨 著我國的經(jīng)濟發(fā)展，政府對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與投入也越來越大。自 2021 年起，我國太陽能電池制造業(yè)高速發(fā)展，但是，在太陽能電池的應(yīng)用方面，跟發(fā)達國家相比，我國太陽能光伏電池的市場需求相對較小，發(fā)展相對緩慢，工藝技術(shù)方面也比較落后，在國外的市場仍面臨著嚴(yán)峻的考驗。在太陽能電池的研究方面，國內(nèi)很多高校和研究機構(gòu)也都長期致力于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究，并積累了許多經(jīng)驗也取得了一些的研究成果。雖然與國外相比，我國的技術(shù)水平和投入力度還有很多不足，在太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用層面上還有很大的發(fā)展空間，但是，隨著我國經(jīng)濟的進一 步發(fā)展，以后一定可以利用豐富的太陽能資源解決資源短缺的問題。 太陽能國外研究狀況 太陽能光伏產(chǎn)業(yè)從 20 世紀(jì) 80 年代以來一直持續(xù)發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于全世界，特別是在非洲、澳洲、南美洲、亞洲等國家普遍受到重視。為了鼓勵開發(fā)和利用光伏能源，各國政府出臺了各種鼓勵政策以推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其以美國、德國等一些西方發(fā)達國家為主。德國率先推出“ 1000 太陽能屋頂計劃”，美國也在 1997 年提出“百萬屋頂計劃”，并制定相關(guān)的財政補貼政策，此后，意大利、法國、第 1章 緒論 3 西班牙荷蘭等國家也紛紛出臺政策以 鼓勵、促進太陽能光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 [2]。使得其應(yīng)用范圍遍及到幾乎所有的用電領(lǐng)域。太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也隨著技術(shù)的進步不斷地提高，晶體硅的光電轉(zhuǎn)換效率達到 15%，單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為 %，砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率是 25%，特別是新型的薄膜太陽能電池由于用硅量只有硅片電池的1/100，加工工藝簡化，可以大大縮短能量返還的時間，提高能量的再生比。 課題研究的主要內(nèi)容 本文在對太陽能手機充電器進行了理論研究與計算機仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計了兩種太陽能手機充電器，即基于集成芯片的太陽能手機充電器與基于 MPPT 的太陽能手機充電器。 對兩種太陽能手機充電器設(shè)計方案進行了比對，闡述了各自的優(yōu)缺點 。并且在硬件電路與軟件程序方面進行了詳細(xì)的設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器應(yīng)具備的基本功能。還應(yīng)用 MATLAB 仿真軟件對電路進行了仿真研究。 本章小結(jié) 本章主要從太陽能與手機充電器研究的背景和意義、太陽能產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀以及手機充電器的市場分析幾個方面介紹了本文所設(shè)計的太陽能手機充電器的研究意義與價值，并且說明了本文設(shè)計的主要內(nèi)容。第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 5 第 2章 太陽能電池與蓄電池的論述 太陽能電池的研究 太陽能 電池的工作原理 太陽能電池是以半導(dǎo)體 PN 結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器件。太陽能電池的組成材料是半導(dǎo)體，其中硅應(yīng)用的最為廣泛。其工作原理是：當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體吸收光能，并且產(chǎn)生許多光電子 空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)的電場的作用下，光生電子和空穴被分離，半導(dǎo)體兩端出現(xiàn)異種電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。如果在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有光生電流流過，從而獲得了功率的輸出 [3]。這樣，太陽能通過太陽能電池就轉(zhuǎn)換為了可以使用的電能。當(dāng)把很多光伏電池單元 通過串并聯(lián)的方式組合在一起，就構(gòu)成了光伏電池組件，經(jīng)過封裝就成為了常見的太陽能電池板，可以在太陽光的作用下輸出功率滿足特定場合的需求的電能。 太陽能電池的等效電路 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個電流隨著光強的增加而增大，當(dāng)接受的光強度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作 PN 結(jié)型二極管，其等效電路由光生電流源及一系列電阻組成，如圖 21 所示。 IDIs hRs hRsIURL 圖 21 太陽能電池等效電路圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 用公式表示太陽能電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為： shDph IIII ? (21) ? ?shssph R IRU1AKT IRUqe xpIoII ???????? ??????? ??? (22) 式中 Iph—— 光生電流， (A)； Io—— 二 極管反向飽和電流， (A)； q—— 電子電荷 (109C)； K—— 玻爾茲曼常數(shù) (1023J/K)； T—— 絕對溫度， (K)； A—— PN 結(jié)的曲線常數(shù)； 當(dāng)光照條件與溫度一定時，根據(jù)公式 (22)得到太陽能電池的 IV 特性曲線與 PV特性曲線，如圖 22 所示 [4]。 00 . 1 6 0 . 3 30 . 5 8 0 . 6 50 . 8 30 . 9 6 1 . 1 61 . 3 31 . 5 0012345I / AU / VI s cI mU o cU m 圖 22(a) 太陽能電池的 IV特性曲線 00 . 71 . 42 . 12 . 83 . 54 . 25 . 000 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 4U / VP / WU mP m 圖 22(b)太陽能電池的 PV特性曲線 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 7 由圖 22 可以得到太陽能電池的幾個重要的參數(shù)： 短路電流 (Isc)：在給定光照強度和溫度下的最大輸出電流； 開路電壓 (Voc)：在給定光照強度和溫度下的最大輸出電壓； 最大功率點電流 (Im)：在給定光照強度和溫度下相對于最大功率點的電流； 最大功率點電壓 (Vm)：在給定光照強度和溫度下相對于最大功率點的電壓； 最大功率點功率 (Pm)：在給定光照強度和溫度下輸出的最大功率。 太陽能電池的輸出特性 太陽能電池的輸出特性受多種外界因素的影響，尤其是光照強度和溫度。太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨光照強度的變化曲線如圖 23 所示，太陽能電池輸出電壓、輸出電流與輸出功率隨溫度的變化曲線如圖 24 所示。 0 0 . 71 . 42 . 12 . 83 . 54 . 2 500 . 40 . 81 . 21 . 62 . 0U / VI / A1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 圖 23(a) 太陽能電池在 25℃ 下 不同光照強度下的 IV特性曲線 0 0 . 7 1 . 4 2 . 1 2 . 8 3 . 5 4 . 2 500 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 46 . 0U / VP / W1 0 0 0 W / m28 0 0 W / m26 0 0 W / m2 圖 23(b) 太陽能電池在 25℃ 下 不同光照強度下的 PV特性曲線 由圖 23 可以看出，短路電流隨著光照強度的增加而大幅增加，開路電壓隨光照強度的增加略有增加，所以，輸出功率是隨著光照強度的增加而增加的。 00 . 71 . 42 . 1 2 . 83 . 54 . 2500 . 40 . 81 . 21 . 62 . 02 . 4U / VI / A3 0 ℃2 0 ℃2 5 ℃ 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 圖 24(a) 太陽能電池在 S=1000W/㎡ 時 不同溫度下的 IV特性曲線 00 . 7 1 . 42 . 12 . 83 . 5 4 . 2500 . 61 . 21 . 82 . 43 . 03 . 64 . 24 . 85 . 46 . 0U / VP / W2 0 ℃2 5 ℃3 0 ℃ 圖 24(b) 太陽能電池在 S=1000W/㎡ 時 不同溫度下的 PV特 性曲線 由圖 24 可以看出，短路電流隨溫度的升高而略有增加，開路電壓隨溫度的升高而大幅減少，所以，輸出功率是隨著溫度的升高而降低的。 太陽能電池仿真模型的建立 把式 (22)進行近似，即忽略 (U+IRs)/Rsh，并且設(shè)定 Iph=Isc。設(shè)在開路狀態(tài)下： I=0，V=Voc；在最大功率點處： V=Vm， I=Im。 由上述條件可以把式 (22)化簡為： ?????? ?????? ???????? 1VC Ve xpC1IIoc21sc (23) 在最大功率點處有： 第 2章 太陽能電池與蓄電池論述 9 ?????? ?????? ???????? 1VCVe xpC1IIoc2m1scm (24) 在常溫條件下： exp[Vm/(C2Voc)]≥1，可忽略“ 1”項，得出 C1為： ????????????? ?? oc2 mscm1 VC Ve xpII1C (25) 在開路狀態(tài)下，把式 (25)帶入式 (23)得： ?????? ?????? ????????????? ??????? ??? 1C1e xpVC Ve xpII11I02oc2mscmsc