摘 要

近年来，环境问题日益突出。人们对新能源的需求达到了史无前例的程度，光伏产业也在此期间迅速发展。本文通过DC-DC电路的设计完成太阳能电池板对蓄电池的储能工作，同时利用稳压电路使得蓄电池的能量能够被用户的电子产品使用。

论文主要研究了户外太阳能充电设施在长期无人为干涉情况下的工作性能。设计要求在户外公共场所长期为电子设备供电，以满足人们在户外生活工作时对充电设施的需求。

研究结果表明：电路满足设计的基本需求，能够完成户外充电工作。且电池储电量大，能够较好地保证用户使用。

关键词：太阳能充电；最大功率点跟踪；直流-直流变换器；蓄电池

Abstract

In recent years, environmental problems have become increasingly prominent. The demand for new energy has reached unprecedented levels, and the photovoltaic industry has also developed rapidly during this period. In this paper, the energy storage of the battery is completed by the design of the DC-DC circuit. At the same time, the energy of the battery can be used by the user's electronic products by using the voltage stabilizing circuit.

This paper mainly studies the performance of outdoor solar charging facilities under long-term unmanned interference. The design calls for power supply to electronic equipment in outdoor public places to meet the demand for charging facilities when people are working outdoors.

The research results show that the circuit meets the basic requirements of design and can complete outdoor charging. Moreover, the storage capacity of the battery is large enough to ensure the user's use.

Key Words：solar charging; maximum power point tracking; DC-DC converter; battery

目录

户外太阳能电子产品充电器设计 1

1 绪论 1

2.太阳能电池概述 3

2.1工作原理 3

2.2等效电路模型分析 4

3 最大功率点跟踪理论分析 7

3.1 简介 7

3.2基本原理 7

3.3 常用最大功率跟踪控制算法 8

4.蓄电池的工作原理及分析 12

4.1 简介 12

4.2蓄电池工作原理 12

5 硬件电路设计 17

5-1电路设计构想 17

5.2DC-DC电路设计 18

5.2 MCU电路 22

5.3 防反接电路 25

5.4 5V稳压电路 26

5.5 硬件电路成本核算 28

6.实物验证 29

7结语 31

7.1设计总结 31

7.2 展望 31

致 谢 32

参考文献 33

户外太阳能电子产品充电器设计

1 绪论

随着世界人口的持续增长以及经济的不断发展，我们的生活对于能源供应的，需求量也日益增加，而在目前的消费结构中，占据主体的还是依赖于煤炭、石油和天然气等化石燃料。而人们对于能源的消耗，首当其冲的是化石能源的使用，不但使用了大量的能源，同时会造成严重的环境污染。然而近年来，因为环境问题各种自然灾害频繁发生，人们逐渐意识到防止环境进一步污染的重要性，国家对此也是越来越重视

我国光伏产业相较于其他国家起步较晚，但每年均30%左右的速度在增长，这表明中国的太阳能产业正在蓬勃发展。近年来，中国太阳能产业的经济和社会环境发生了变化。2005年，全国新增光伏发电装机容量仅为5兆瓦，仅占全球新增光电总量的0.36％。2005年，中国光伏发电累计装机容量为70兆瓦，仅为当时全球总量的1.35％。仅在2017年，总装机容量达到53 G，占全国所有新电力装置的39％。 装机增长速度自2013年以来，连续5年居世界第一，发展速度占全球光伏产业的半壁江山；截至2017年底，太阳能累计产量约为2500亿千瓦时，节能量超过8000万吨标准煤。二氧化碳，二氧化硫和氮氧化物的总排放量分别为2.1亿吨，68万吨和59.2万吨。 同时国内光伏相关产业获得突破性进展，使得太阳能发电成本以难以想象的速率降低。 2017年，国内多晶硅片，太阳能电池片和组件的价格分别同比下降26.1％，25.7％和33.3％。太阳能发电成本降至7元/瓦左右，部件成本也下降到3元/瓦^[1]。

但与此同时，中国的光伏产品主要用于大规模并网发电和路灯等公共设施。个人用户对产品的普及程度不高，太阳能光伏发电技术在小型家用产品中应用的例子很少。例如，市场上的太阳能手机充电器尚未被消费者接受。手机等便携式电子产品的使用已成为人类生活不可分割的一部分。 尽管单个手机等电子产品用电量很小，但是由于使用广泛，总得电能使用不应该被忽略。 同时由于生活，消费观念的转变，人们热衷于以户外运动作为一种社交活动。 而这种活动对充电装置有着很大的需求。据统计，仅中国年耗电量就达8亿千瓦时。另一方面，中国是光伏板的主要生产国，总产量约占世界总量的50％。 然而其中95%的光伏面板用来出口，整个产业的发展严重依赖外国的市场，增加了光伏产业的不稳定因素，因此必须大力提高国内市场的需求^[2]。太阳能手机充电器电路的设计符合节能环保现代消费的理念，同时为太阳能电池的广泛应用提供参考。

2.太阳能电池概述

2.1工作原理

光伏发电系统本质上是一个由太阳辐射能驱动的系统。 其工作原则有以下两种形式：

（1）光伏电池的发电原理：光伏电池是利用光生伏特效应完成将来自自然界的太阳光转换成电路中的电能的产品，具体来说，由于阳光的照射，光伏面板的材料因自身的特性，在内部电子吸收能量后定向运动，从而产生了空穴-电子对，此时若将电池板电子和空穴聚集的两端连接，那么就会有电流流过，称之为“光生电流”，从而有了功率输出。

（2）光伏系统的发电原理：光伏系统是一种产生可再生能源的电源。它可以使用光伏阵列将太阳能转化为电能并将其存储在系统的电池中或直接存储。其工作原理是:

在白天，光伏组件接收日光，输出电能，其中一部分供应直流或交流负载。另一部分通过防再充电二极管为电池组充电;在阴雨天或夜晚，光伏电池模块不能正常工作，并且电池组为直流或交流负载操作供电。 由于这种直流能量很容易受到外部环境因素的影响并且不稳定，所以我们通常在控制器和光伏阵列的输出端连接一个带有防再充电保护的二极管。 然后将控制器的一对输出端子连接到电池组，以便它可以保护电池免受充电和放电。

如今太阳能电池板种类众多，但目前来说只有硅太阳能电池技术最为成熟。量产的太阳能电池里面，95%以上是硅基的。一些非常有发展前景的太阳能电池如TiO2纳米晶，塑料电池，染料敏化电池等，现阶段其加工工艺还不够成熟，转换效率也较低（基本）；而性能优良的多晶体薄膜电池，如碲化镉薄膜，砷化镓（GaAs）III-V化合物，铜铟硒薄膜电池（简称CIS）等，则由于材料稀有，价格不菲，且有的还有毒性，这些因素都限制了其发展及使用。故本次选用硅太阳能电池板。硅电池板又分为单晶硅和多晶硅，其中单晶硅转换效率比较高，普遍超过20%。多晶硅转换效率理论值也难以达到20%。但是单晶硅对材料纯度，加工的要求使得成本居高不下，而多晶硅成本则相对较低。综合考虑，本次设计对太阳能电池的便携性有较高要求，且单晶硅的性价比也很高。故选用单晶硅电池。

2.2等效电路模型分析

光伏电池模型主要分为物理模型和外特性模型两大类。其中物理模型结构建立相对复杂，需要分析电池将光能转化为电能的具体过程，一般使用较少。而外特性模型是通过分析光伏电池的输出特性，建立的等效电路模型，它便于分析研究光伏电池的电气特性。众所周知，光伏电池是利用光生伏特效应原理制成的，其工作实现原理的核心是它内部的 P-N 结，每个独立光伏电池单元的外特性模型结构，主要是由一个正向的二极管与一个恒定电流源并联组成。

光伏电池单元最典型的电路模型是单二极管形式。如图 2-1 a)所示，其中包含一个二管用来表示分子极化现象，两个电阻表示自身损耗。通常其并联电阻很大，将其忽略以后得到的等效电路模型如图 2-1 b)所示，这种模型将材料的电阻特性以及损耗等因素用串联电阻表示，能够较精确的描述光伏电池模块的电特性，该结构比较适和于光伏面板建模。此外还有一种简化的理想电路模型，如图 2-1 c)所示。该模型结构不考虑电池内部损耗

图 2-1 光伏面板的等效模型

图 2-1 的参数与表示的物理意义与特性如表 2-1 所示。

一般来说，研究时，影响均可忽略，即选用理想模型进行分析。此时：

(2-1)

式中

= (2-2)

其中Io是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷，Vd是二极管两端的电压，k是波尔兹曼常数（1.38×10-19J / K），T是以开尔文（K）为单位的结温。由(2-1)和(2-2)可得

(2-3)

使用合适的近似值

(2-4)

其中是流过太阳能电池板的电流，V是光伏电池的端电压，T是温度（单位：开尔文），n是二极管理想因子。下图给出了太阳能电池的I-V和P-V曲线。 可以看出，电池在低工作电压值下作为恒定电流源工作，在低工作电流值下作为恒定电压源工作。 太阳能电池是电流源，由于光电效应产生电子流，并产生电势差。 图2-2显示了P-V和I-V曲线。

图 2-2 光伏面板P-V I-V曲线

由图2-2可知，光伏面板的输出功率并非随着输出电压线性增加，而是在某个值时达到最大，该点称之为最大功率点，即MPP（Maximum Power Point）。MPP受温度，光照强度等各种环境因素影响，几乎每时每刻都在变化，而如何让太阳能电池持续在该点工作则是必须解决的问题。

3 最大功率点跟踪理论分析

3.1 简介

最大功率点跟踪( Maximum Power Point Tracking，缩写为MPPT）是太阳能发电系统的关键技术。它是指根据不同环境温度和不同光强的特性来调整光伏阵列的输出功率。光伏面板输出功率一直在最大的位置上。 应用该技术的光伏控制器与传统的方法相比，能有效提高光伏面板的发电效率，且该过程中不产生任何环境污染。从理论上讲，使用 MPPT控制器的太阳能发电系统比传统太阳能发电系统效率高50％， 但根据实际测试，由于环境影响和各种能源损失，最终效率可提高约20％-30％。

3.2基本原理

由于太阳能电池产生的电动势不是交流电，故光伏面板的MPPT的完成一般都是通过使用DC/DC变换电路来实现的。其原理框图如图3-1所示。光伏电池阵列与负载通过DC/DC电路连接，最大功率跟踪装置不断检测光伏阵列的电流电压变化，并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。从而使得输出电压持续靠近MPP。

图 3-1 MPPT工作原理框图

3.3 常用最大功率跟踪控制算法

目前，国内外对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）技术进行了研究，并开发了各种控制方法。 恒电压跟踪法( Constant Voltage Tracking简称 CVT)、干扰观察法( Perturbation And Observation method简称 P O)增量电导法（ INC）等等。

3.3.1恒定电压法

尽管最大功率点由于诸如照明温度之类的外部因素而不断变化，但事实上，当太阳能电池板被有效地操作时，最大功率点通常在某个恒定电压附近徘徊。 恒定电压法也就是根据这个理论产生的。该方法的基本思想是将太阳能电池板的输出电压控制在某个测量的电压位置。 以此作为最大功率点。 这种方法非常简单方便，应该是MPPT控制中最简单的设计方案，同时比一般的系统多得到1/5左右的能量。

但是严格来说，该方法并不是一种真正的MPPT控制方法。事实上该方法完全没有做到对最大功率点的时时跟踪。同时由于忽略了温度的影响，该方法精度较差，泛用性也不高，精度完全取决与设定的理论最大功率点电压值。同时环境发生较大改变时，输出功率会严重下降。但从另一方面来讲，该方案十分简单，便于实现，同时整个电路不会出现震荡，设计非常方便稳定，成本很低。故事实上也有很广泛的应用。

3.3.2干扰观察法

根据太阳能电池板的P-V曲线来看： 在向最大功率点靠近的过程中，输出功率是持续增大的，因此只要知道输出功率持续增大的方向，它可以随时调整以达到最大功率点。 干扰观测方法就是基于此。 使其发生变化，通过程序对比输出功率是增大还是减小。 若增大则下次扰动方向一致，否则相反。通过这种反馈方法，输出电压V继续保持在最大功率点附近。

该方法算法十分简单，因此程序方面设计起来并不困难。硬件方面虽然有一定要求，但是困难也不是很难实现。但是该方法严重受制于其扰动的频率和步长限制：首先，高扰动频率可以增强响应速度，但是高频的扰动本质上就是非常严重的电路振荡，这对整个电路的抗振荡性能就提出了非常高的要求。同时成本也会提高。而若想要不那么高的频率，就要有足够大的步长，但根据PV曲线来看，过大的步长可能导致输出功率突然地快速下降，在环境变化比较快的场所尤其如此。因此该方法响应速度非常低，同时一般只用在太阳光照射变化量比较稳定的场所。同时由于算法的本身问题，整个电路会因振荡问题失去部分功率。

图 3-2 干扰观察法流程图

3.3.3电导增量法

该方法是最常用的算法中的一个，它是基于太阳能电池板的单峰PV曲线设计的。整体思想和扰动观察法比较类似，不同的是该方法使用对电压U和功率P求一阶偏导的方法实现的。具体方法如下：

对P=UI求全导数，得

两边同时除以，得

令=0得=

以上即为电导增量法光伏电池达到最大功率输出点所需满足的条件。这种算法的控制过程如下：

如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有：dP/dUgt;0，即dI/dUgt;—I/U。这说明参考电压应该向持续增大的方向变化；同理，如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有：dP/dUlt;0，即dI/dUlt;—I/U。这说明参考电压应该向持续减小的方向变化; 同时，如果当前的光伏电池阵列的工作点位于最大功率点的附近时，此时有：dP/dUlt;0，即dI/dUlt;—I/U。 此时参考电压将保持不变，也就是光伏阵列工作在最大功率点上。

整体来说，该方法与扰动观察法思路及大部分硬件设计思路一致，但是由于它的算法中， 电压变化方向仅取决于电导的变化率，并且不影响前一周期的输出电压值和输出功率。 因此，它可用于光强度快速变化的情况。

但同时，该电路程序设计比较复杂，同时对硬件电路的要求相较于扰动观察法只增不减。对传感器的使用和要求比较多，而这些正是MPPT模块成本的主要组成部分，故相比之下，现在扰动观察法使用相对的比较多。

图 3-3 电导增量法流程图

MPPT算法需要比较多的硬件传感器或者说是电压和电流传感器，传感器越多，成本越高，所以目前较多用的还是扰动观测法。

就本课题而言，限于成本和能力问题，采用的方法是恒定电压法。

4.蓄电池的工作原理及分析

即使是在白天，大部分情况下，仅靠光伏面板的输出功率是无法满足使用要求的。同时为了更好地收集，利用太阳能，必须增加一个较大的储能装置。本文选用蓄电池作为储能和放电的装置。

4.1 简介

蓄电池(Storage Battery)，也称二次电池，是将化学能直接转化成电能的一种装置。放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生——把电能储存为化学能；需要放电时再次把化学能转换为电能。根据功能及成分不同蓄电池分为很多种，其中铅酸蓄电池应用最广泛，使用方便，成本也较低，本文所采用的蓄电池即为12V的铅酸蓄电池。

4.2蓄电池工作原理

电池组装完成后，注入硫酸，静置四五天。 首先，看看正面板。PB4 聚集在板周围，所以正极板具有正电位。再看负极板，极板上的少量纯铅进入电解质，形成二价铅离子，在电极板上留下两个电子，导致负极板带负电。化学转换完成后，当电池未充电或放电时，正极板的电动势高于负极板的电动势。

放电时的电池工作原理：当电池连接到负载时，由于正极板的高电动势，电流I从正极流向负极。 正极的电位下降，负极的电位上升。负极板上的两个电子最初进入正极板。 在正极板， PB4 遇到两个电子 e，所以 PB4 变为 PB2 ， 与硫酸中的 SO42-结合成 PBSO4，附在极板上。 在负极板上，PB2 和SO4结合在一起，PBSO4也生成并附着在板上。这样，随着电池继续放电，越来越多的PBSO4在正极板和负极板上，并且电解液中的H 2 SO 4失去SO 4。 H 与 OH-结合成 H2 O，电解液浓度下降。

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