多功能太阳能充电器的研究与设计
多功能太阳能充电器的研究与设计[20191223160520]
摘 要
多功能太阳能充电器的设计主要有两大部分：(1)通过对太阳能电池材料的研究，选择一个合适的太阳能电池板，作为太阳能充电器的蓄电池；(2)太阳能充电器主要通过电路的硬件设计，来实现手机充电的功能。并且这个充电器还能在光照充足的情况下运行。
本文主要介绍了多功能太阳能充电器的设计。该系统是一个利用太阳能光伏发电技术，功率控制电路，储能电池的充电控制技术和单片机控制系统构成的充电控制器。该设计是通过利用太阳能电池来达到目的的，利用太阳能电池将太阳辐射能直接转换为直流电，并且通过充电电路将这直流电储存到蓄电池中。太阳能阵列蓄电池所储备的电能，是用作辅助能源来提供电量的。当外部的环境影响到太阳能充电的效率的时候，我们还可以利用公共的电源来给电池充电，用这种方式来保证电池的使用效率。当公共电网因为故障断电的时候，就使用单芯片微控制器及时切换到电池供电。
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关键字:太阳能充电器充电电路
目录
1.引言 1
1.1 太阳能充电器的产业现况 1
1.2 太阳能充电器的研究目的和意义 1
1.3 研究思路与技术方法 1
2. 太阳能充电器总体设计方案 3
2.1 太阳能充电器的供电系统 3
2.2 电路的硬件设计 4
3. 太阳能充电器的供电系统 5
3.1太阳能电池的分析与选用 5
3.1.1太阳能电池的工作原理 5
3.1.2 太阳能电池的基本性质 6
3.1.3 太阳能电池的主要种类 7
3.2充电电池的分析与选用 8
4. 电路的硬件设计 10
4.1太阳能充电电路设计 10
4.1.1充电电压的设定 10
4.1.2充电电流的设定 11
4.1.3工作频率的设定及纹波的滤除 11
4.2锂电池保护电路设计 11
4.3 交流(市电)充电电路设计 12
4.3.1 充电控制电路 12
4.4 内部蓄电池充电电路设计 13
5. 实物设计与展示 15
5.1 外观展示与使用功能 15
5.2 充电器内部结构 16
5.3充电器的运行 17
结束语 18
参考文献 19
致谢 20
1.引言1.1 太阳能充电器的产业现况
手机已经成为人们日常生活中不能够缺少的一部分了。尽管单次充电的单一手机的功耗看起来是微不足道的，但是因为它是一个广泛的大规模的产品，其充耗电量不容忽视。据估计，我国一年中手机消耗约800万千瓦时。在另一方面，中国是太阳电池片的生产大国，总产量已占据世界的1/2，而且严重依赖于太阳能电池芯片出口的海外市场，这增长了产业的不安全因素，因此急需开发国内应用市场。本文设计的太阳能充电器，具有节能、环保的功能，这与现代社会的消费理念相匹配，并对太阳能电池的广泛应用提供了思路。
1.2 太阳能充电器的研究目的和意义
有一种新型的绿色清洁能源叫太阳能。这种新型能源是没有环境污染的、是可以取之不尽用之不竭的、而且是不受地域限制的。对太阳能的利用主要有光热转换与光电转换这两种方式。在本设计中，通过利用太阳能的光电转换特性设计了既可以满足人们日常生活需要的又可以满足人们在野外工作时的需要的一款太阳能充电器。
太阳能充电器在用太阳能电池板充电时，通过升压、稳压的处理方式将太阳能转换为电能,并且用充电电路给负载供电。在通常情况下，锂电池是不适合采用全过程恒流充电的方式的,而应该是采取先恒流快速充电,等到电池的电压上升到特定值的时候,再自动转成恒压充电的方式，而且这种方式有利于存储电池容量。为了避免过度充电导致的电池损坏，本系统设计了一个完整的过电流、过电压保护，和充电器采用模块化结构和接口，为了可以方便地对手机、MP3、摄像机等多种数码商品进行充电。
1.3 研究思路与技术方法
多功能太阳能充电器实现的功能是对电子产品进行充电。通过对利用太阳能电池板将太阳辐射能转化为直流电的研究，来设计充电器。并且这个充电器中有两块电池，一块是太阳能电池，当太阳光照充足的时候，就利用太阳能来进行充电；一块是蓄电池，当太阳光照不充足的时候，就利用蓄电池里储存的电来进行充电。
多功能太阳能充电器主要是由充电电路、锂电池保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池充电电路这几个部分组成。该充电器一般是通过利用太阳能充电电路对手机（机充模式）或手机锂电池（座充模式）进行充电，这样既可以达到节能环保的目的，也可以满足野外旅行时手机没有市电供应的需求。但也可能会碰到黑夜或阴雨天等无阳光的情形，因此作为补充，充电器就会用内部蓄电池对手机充电，而蓄电池的能量来源则是太阳能电池或市电。
在供电系统中，太阳能电池产生一个不稳定的直流电源，为了确保后续电路的稳定工作，该系统可以运用一个稳压电路，对太阳能电池进行DC-DC转换。
2. 太阳能充电器总体设计方案
如图2-1所示，太阳能充电器主要是由太阳能充电器的电路、锂电池的保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池的充电电路这几个部分组成[1]。通常情况下，该充电器通过利用太阳能进行机充模式或者座充模式来对手机充电，这样就可以达到节能环保的目的，也可以满足野外旅行时手机没有市电供应的需求。但也可能会碰到因为黑夜或阴雨天等无阳光的情形，作为补充，充电器就会用内部蓄电池对手机充电，而蓄电池的能量来源则是太阳能电池或市电。为了可以与手机锂电池的充电电路相匹配，内部蓄电池也采用了锂电池，我们选用了3.7V 2000mAH的18650锂电芯。锂电池的保护电路可避免电池由于过充、过放而对自身造成永久性的伤害。
图2-1 太阳能充电器的基本结构
2.1 太阳能充电器的供电系统
太阳能电池板既是供电系统的基础又是充电器的核心部分,它有着将太阳光的辐射能量转化为电能的功能[1]。太阳能电池板的光电转化效率是太阳能电池板的一个重要参数，因为它决定了供电系统的工作效率。目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池这三种。其中单晶硅太阳能电池板的光电转换率为15%—20%,最高可达24% ,这个光电转换效率在目前来看，是各种太阳能电池中最高的。单晶硅太阳能电池的使用寿命正常可达15年,最高可达25年。多晶硅的转换率大约在12%左右,非晶硅太阳能电池板的在10%左右。在使用寿命和能量转换效率等整体性能方面来看,单晶硅和多晶硅电池的性能比非晶硅电池的好。通过对与其他材料的太阳能电池进行对比，所以本系统所采用的单晶硅太阳能电池板如图2-1所示。
图2-1 单晶硅太阳能电池
2.2 电路的硬件设计
电路的硬件设计包括：充电电路的设计、锂电池的保护电路的设计、交流（市电）充电电路的设计、内部蓄电池的充电电路的设计[1]。
当太阳能电池被使用时，因为变化较大的太阳光和内部电阻相对较高,所以会输出不稳定的电压,输出较小的电流,这就需要用到对电池充电控制的电路，通过这个电路将电池板输出的直流电压变换后再供给电池充电。在照明情况合适的条件下,太阳能电池板吸收太阳光的光能并且将它转化为电能。因为太阳能电池板输出的电压不稳定,所以增加了稳压电路。通过稳压电路、充电电路为负载电池充电的同时，还能够为内部的蓄电池充电以备不时之需。在照明不充足的情况下,太阳能电池板的输出电压相对来说是比较低的,该电压还没有达到充电电路的工作电压,所以增加了升压、稳压电路,为充电电路提供一个相对稳定的工作电压。当碰到阴雨天、夜晚等照明很差的情况时,就能够利用系统内部的蓄电池在通过升压电路后为后续设备充电。
3. 太阳能充电器的供电系统
太阳能充电器的供电系统是整体的一个重要部分，因为太阳能充电器是由太阳能供电的。只有在太阳光照强度不够强的情况下才会去用到充电电池来进行充电。
3.1太阳能电池的分析与选用
3.1.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一个通过光电效应或者光化学效应直接将光能转化成电能的装置。由于利用光化学效应工作的太阳能电池仍处于起步阶段，还没有进行大面积推广使用，所以我们这里所指的太阳能电池是指利用光电效应使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的装置[1]。这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”。
能发生光伏效应的有很多种材料，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，铜铟硒化合物等。由于它们的发电原理基本相同，所以现在以晶体硅为例来叙述其光发电过程。
当太阳光线照射到太阳电池表面上由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料组成的P-N结时，硅材料吸收了一部分光子；光子的能量转移到硅原子，使电子发生越迁，形成了新的空穴由-电子对；在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，形成了内置的静电场；若是从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会产生一定的电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率[1]。这个过程的实质就是：光子能量转化成电能的过程。 为了获得较高的输出电压和较大的容量，往往将多个太阳能电池片连接在一起。太阳能电池的输出功率是随机的。不同的时间、不同的地点、不同的安装方式，即使是同一块太阳能电池，它的输出功率也是不同的。目前，太阳能电池的光电转换率大多在百分之十几以上，但是有个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到 30%左右了。
摘 要
多功能太阳能充电器的设计主要有两大部分：(1)通过对太阳能电池材料的研究，选择一个合适的太阳能电池板，作为太阳能充电器的蓄电池；(2)太阳能充电器主要通过电路的硬件设计，来实现手机充电的功能。并且这个充电器还能在光照充足的情况下运行。
本文主要介绍了多功能太阳能充电器的设计。该系统是一个利用太阳能光伏发电技术，功率控制电路，储能电池的充电控制技术和单片机控制系统构成的充电控制器。该设计是通过利用太阳能电池来达到目的的，利用太阳能电池将太阳辐射能直接转换为直流电，并且通过充电电路将这直流电储存到蓄电池中。太阳能阵列蓄电池所储备的电能，是用作辅助能源来提供电量的。当外部的环境影响到太阳能充电的效率的时候，我们还可以利用公共的电源来给电池充电，用这种方式来保证电池的使用效率。当公共电网因为故障断电的时候，就使用单芯片微控制器及时切换到电池供电。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:太阳能充电器充电电路
目录
1.引言 1
1.1 太阳能充电器的产业现况 1
1.2 太阳能充电器的研究目的和意义 1
1.3 研究思路与技术方法 1
2. 太阳能充电器总体设计方案 3
2.1 太阳能充电器的供电系统 3
2.2 电路的硬件设计 4
3. 太阳能充电器的供电系统 5
3.1太阳能电池的分析与选用 5
3.1.1太阳能电池的工作原理 5
3.1.2 太阳能电池的基本性质 6
3.1.3 太阳能电池的主要种类 7
3.2充电电池的分析与选用 8
4. 电路的硬件设计 10
4.1太阳能充电电路设计 10
4.1.1充电电压的设定 10
4.1.2充电电流的设定 11
4.1.3工作频率的设定及纹波的滤除 11
4.2锂电池保护电路设计 11
4.3 交流(市电)充电电路设计 12
4.3.1 充电控制电路 12
4.4 内部蓄电池充电电路设计 13
5. 实物设计与展示 15
5.1 外观展示与使用功能 15
5.2 充电器内部结构 16
5.3充电器的运行 17
结束语 18
参考文献 19
致谢 20
1.引言1.1 太阳能充电器的产业现况
手机已经成为人们日常生活中不能够缺少的一部分了。尽管单次充电的单一手机的功耗看起来是微不足道的，但是因为它是一个广泛的大规模的产品，其充耗电量不容忽视。据估计，我国一年中手机消耗约800万千瓦时。在另一方面，中国是太阳电池片的生产大国，总产量已占据世界的1/2，而且严重依赖于太阳能电池芯片出口的海外市场，这增长了产业的不安全因素，因此急需开发国内应用市场。本文设计的太阳能充电器，具有节能、环保的功能，这与现代社会的消费理念相匹配，并对太阳能电池的广泛应用提供了思路。
1.2 太阳能充电器的研究目的和意义
有一种新型的绿色清洁能源叫太阳能。这种新型能源是没有环境污染的、是可以取之不尽用之不竭的、而且是不受地域限制的。对太阳能的利用主要有光热转换与光电转换这两种方式。在本设计中，通过利用太阳能的光电转换特性设计了既可以满足人们日常生活需要的又可以满足人们在野外工作时的需要的一款太阳能充电器。
太阳能充电器在用太阳能电池板充电时，通过升压、稳压的处理方式将太阳能转换为电能,并且用充电电路给负载供电。在通常情况下，锂电池是不适合采用全过程恒流充电的方式的,而应该是采取先恒流快速充电,等到电池的电压上升到特定值的时候,再自动转成恒压充电的方式，而且这种方式有利于存储电池容量。为了避免过度充电导致的电池损坏，本系统设计了一个完整的过电流、过电压保护，和充电器采用模块化结构和接口，为了可以方便地对手机、MP3、摄像机等多种数码商品进行充电。
1.3 研究思路与技术方法
多功能太阳能充电器实现的功能是对电子产品进行充电。通过对利用太阳能电池板将太阳辐射能转化为直流电的研究，来设计充电器。并且这个充电器中有两块电池，一块是太阳能电池，当太阳光照充足的时候，就利用太阳能来进行充电；一块是蓄电池，当太阳光照不充足的时候，就利用蓄电池里储存的电来进行充电。
多功能太阳能充电器主要是由充电电路、锂电池保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池充电电路这几个部分组成。该充电器一般是通过利用太阳能充电电路对手机（机充模式）或手机锂电池（座充模式）进行充电，这样既可以达到节能环保的目的，也可以满足野外旅行时手机没有市电供应的需求。但也可能会碰到黑夜或阴雨天等无阳光的情形，因此作为补充，充电器就会用内部蓄电池对手机充电，而蓄电池的能量来源则是太阳能电池或市电。
在供电系统中，太阳能电池产生一个不稳定的直流电源，为了确保后续电路的稳定工作，该系统可以运用一个稳压电路，对太阳能电池进行DC-DC转换。
2. 太阳能充电器总体设计方案
如图2-1所示，太阳能充电器主要是由太阳能充电器的电路、锂电池的保护电路、交流（市电）充电电路和内部蓄电池的充电电路这几个部分组成[1]。通常情况下，该充电器通过利用太阳能进行机充模式或者座充模式来对手机充电，这样就可以达到节能环保的目的，也可以满足野外旅行时手机没有市电供应的需求。但也可能会碰到因为黑夜或阴雨天等无阳光的情形，作为补充，充电器就会用内部蓄电池对手机充电，而蓄电池的能量来源则是太阳能电池或市电。为了可以与手机锂电池的充电电路相匹配，内部蓄电池也采用了锂电池，我们选用了3.7V 2000mAH的18650锂电芯。锂电池的保护电路可避免电池由于过充、过放而对自身造成永久性的伤害。
图2-1 太阳能充电器的基本结构
2.1 太阳能充电器的供电系统
太阳能电池板既是供电系统的基础又是充电器的核心部分,它有着将太阳光的辐射能量转化为电能的功能[1]。太阳能电池板的光电转化效率是太阳能电池板的一个重要参数，因为它决定了供电系统的工作效率。目前，太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池这三种。其中单晶硅太阳能电池板的光电转换率为15%—20%,最高可达24% ,这个光电转换效率在目前来看，是各种太阳能电池中最高的。单晶硅太阳能电池的使用寿命正常可达15年,最高可达25年。多晶硅的转换率大约在12%左右,非晶硅太阳能电池板的在10%左右。在使用寿命和能量转换效率等整体性能方面来看,单晶硅和多晶硅电池的性能比非晶硅电池的好。通过对与其他材料的太阳能电池进行对比，所以本系统所采用的单晶硅太阳能电池板如图2-1所示。
图2-1 单晶硅太阳能电池
2.2 电路的硬件设计
电路的硬件设计包括：充电电路的设计、锂电池的保护电路的设计、交流（市电）充电电路的设计、内部蓄电池的充电电路的设计[1]。
当太阳能电池被使用时，因为变化较大的太阳光和内部电阻相对较高,所以会输出不稳定的电压,输出较小的电流,这就需要用到对电池充电控制的电路，通过这个电路将电池板输出的直流电压变换后再供给电池充电。在照明情况合适的条件下,太阳能电池板吸收太阳光的光能并且将它转化为电能。因为太阳能电池板输出的电压不稳定,所以增加了稳压电路。通过稳压电路、充电电路为负载电池充电的同时，还能够为内部的蓄电池充电以备不时之需。在照明不充足的情况下,太阳能电池板的输出电压相对来说是比较低的,该电压还没有达到充电电路的工作电压,所以增加了升压、稳压电路,为充电电路提供一个相对稳定的工作电压。当碰到阴雨天、夜晚等照明很差的情况时,就能够利用系统内部的蓄电池在通过升压电路后为后续设备充电。
3. 太阳能充电器的供电系统
太阳能充电器的供电系统是整体的一个重要部分，因为太阳能充电器是由太阳能供电的。只有在太阳光照强度不够强的情况下才会去用到充电电池来进行充电。
3.1太阳能电池的分析与选用
3.1.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一个通过光电效应或者光化学效应直接将光能转化成电能的装置。由于利用光化学效应工作的太阳能电池仍处于起步阶段，还没有进行大面积推广使用，所以我们这里所指的太阳能电池是指利用光电效应使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的装置[1]。这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”。
能发生光伏效应的有很多种材料，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，铜铟硒化合物等。由于它们的发电原理基本相同，所以现在以晶体硅为例来叙述其光发电过程。
当太阳光线照射到太阳电池表面上由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料组成的P-N结时，硅材料吸收了一部分光子；光子的能量转移到硅原子，使电子发生越迁，形成了新的空穴由-电子对；在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，形成了内置的静电场；若是从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会产生一定的电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率[1]。这个过程的实质就是：光子能量转化成电能的过程。 为了获得较高的输出电压和较大的容量，往往将多个太阳能电池片连接在一起。太阳能电池的输出功率是随机的。不同的时间、不同的地点、不同的安装方式，即使是同一块太阳能电池，它的输出功率也是不同的。目前，太阳能电池的光电转换率大多在百分之十几以上，但是有个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到 30%左右了。
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