拆機電池與非晶硅太陽能電池板的組合應用

史永京，錢 晨，孟 雪，高羅絲，史少霞

（南京郵電大學 光電工程學院，江蘇 南京210046）

1 引言

隨著現代社會生活節奏的加快，人們的生活正在向著一種便攜化方向發展，同時人們也越來越注重廢物再利用以及節能環保，比如筆記本電腦淘汰后其中的拆機電池經過篩選后仍有很高的利用價值。本文從低碳環保的角度出發，將拆機電池與非晶硅太陽能電池板結合，并使用菲涅爾透鏡，制作成高效便攜式充電器，滿足人們在無市電的情況下，對手機、MP3等常用小電器充電的需求。

2 整體方案設計與電池介紹

2.1 整體方案簡述

整體方案設計分為3個模塊，即電池管理模塊、DC－DC升壓模塊和太陽能充電管理模塊。

2.2 18650拆機電池介紹

筆記本電腦中常用的18650可充電電池具有以下一些特性。單節標稱電壓一般為：3.7V；最小放電終止電壓一般為：2.75V；最大充電終止電壓：4.20V；容量：1500mAh以上。四芯電池一般有2種情況：四個串聯和兩串聯兩并聯。其中，四個串聯電池組最終標示參數為：14.8V／2200mAh（14.8V＝3.7V×4），串聯時輸出電流不變；而四個電芯分兩組，兩兩串聯后再并聯，電池組最終標示參數為：7.4V／4400mAh（7.4V＝3.7V×2）。現在市場中12.1吋、13.3吋等尺寸的筆記本多為兩串聯兩并聯電池組。

2.3 18650拆機電池的檢測

簡易電池容量測試儀的工作原理：使用AT89C2051單片機作為主控芯片，電池供電全部集中在電路中的大功率電阻，電路可以分別提供600mA和1200mA兩種工作電流，使用晶振來記錄放電時間，按下啟動按鈕即開始計時并通過電路內部預置了積分電路進行積分，同時顯示電路將顯示出所累積的電量。電池電量耗盡后蜂鳴器提示測量電量完畢，此時顯示的數值即為這段時間內電池放電量。測量前，先將單節18650鋰電池充滿電，用上述方法放電完畢，得出的放電量即為電池容量。表1是對回收的30節拆機電池進行電池電量測試得出的數據。

表1 拆機鋰離子電池電量測試 mAh

其中有16塊電池的電量超過1000mAh，具有極高的利用價值。本文中的充電器正是基于這16塊拆機電池而作進一步研究。

為更精確地顯示18650拆機電池的電量與電壓關系，如表2所示。

表2 單節18650放電曲線測量

測量出拆機電池的容量－電壓曲線，得到曲線如圖1。

圖1 單節18650放電曲線

3 各模塊設計

3.1 電池管理模塊

本模塊作為與電池直接相連的核心模塊，主要運用TP4057完成充電管理和CN1185實現電量顯示部分，另外在電路顯示部分通過電壓和容量的曲線用電壓判斷容量分四段顯示，提高電量顯示精準度。

3.2 升壓模塊

通過對DCDC變化電路的研究，PT1301能在較寬的負載電流范圍內穩定和高效地工作，不需要外部補償電路，并且單片PT1301轉化效率可高達90%。

3.3 太陽能電池模塊

3.3.1 太陽能電池材料的選擇

太陽電池分類及性能比較如表3。

表3 太陽電池分類及性能

通過上述比較，非晶硅太陽能電池板在市場中的應用更加適合市場要求：攜帶方便，輕巧，環保無污染，并且比非晶硅薄膜太陽能電池價格低。

3.3.2 太陽能電池理論分析比較

（1）單晶硅太陽能電池。

不同單晶硅太陽能電池的最佳效率比較如表4。

表4 不同單晶硅太陽能電池的最佳效率

假設當太陽能電池板的面積為11cm×7cm＝77cm2時，有

對于c－Si：

對于GaAs：

對于InP：

幾種材料性能比較如表5。

表5 不同材料性能

四塊串聯材料性能比較如表6。

表6 四塊串聯時材料性能

可見單晶硅太陽能電池板有很高的轉換效率，但是隨著科技的進步，非晶硅太陽能電池板的輕便性能受到關注。

（2）多晶硅薄膜太陽能電池板。

通過模擬法得到的太陽電池修正結果，ISC＝25.4mA／cm2短路電流密度，VOC＝0.48V開路電壓，Ff＝0.68填充因子，η＝7.7%轉化效率。

對于最佳設計：a－Si／μC－Si二端子級聯太陽電池，前提條件：當底部電池的μC－Si膜厚度為0.3μm時，a－Si的最佳膜厚為0.4μm。其綜合輸出特性參數如下：

其中，JSC＝16.3mA／cm2短路電流密度，VOC＝1.45V開路電壓，Ff＝0.778填充因子，轉換效率η＝18.4。

當太陽能電池板的面積S為10cm×10cm時，

有：短路電流＝電路電流密度×面積，ISC＝JSC×S＝16.3×100＝1.63A，

此時是理想情況下的輸出功率。考慮到中間過程中的損耗及隨著太陽光強度變化，會發生變化，Pmax也會發生變化，其中Pin隨光強變化曲線如圖2所示。

圖2 Pin隨光強變化曲線

當轉化效率為η＝18.4%，Pmax＝1.8388W，Pin＝對應日照強度最強。進而說明了要達到最大輸出功率，在最高太陽光入射強度時，不能滿足其光強要求，所以又通過加菲涅爾透鏡，提高太陽光照強度的必要性。

當光強為0.6kW／m2以上時，可以達到每天6h的充電量，假設光強為0.6kW／m2時，Pmax＝Pin×η＝6×0.184＝1.104W，可見多晶硅薄膜太陽電池的性能也是一種性價比極高的太陽能電池板，但是由于現在生產比較昂貴，此文中制作便攜式充電器采用折中性能的非晶硅太陽能電池板是最好的選擇。

（3）非晶硅太陽能電池及設計。白天各個時刻非晶硅太陽能電池板的開路電流如圖3所示，數據表格如表7所示（參數：電池板面積16.4cm×7.4cm）。

圖3 白天非晶硅太陽能電池板的短路電流

表7 白天非晶硅太陽能電池板的開路電流數據

由于所用的非晶硅太陽能電池板開路電壓2V，短路電流600～700mA，此課題制作的便攜式太陽能充電器所需要輸出功率為2.5W，所以將3塊非晶硅太陽能電池板串聯，使開路電壓達到5V以上。

太陽能電池板結構圖（太陽能電池板面積為16.4cm×7.4cm）如圖4所示。外加一個低值電阻分部分電壓，通過升壓電路即可把光能轉換成電能，存儲在鋰離子電池中，達到儲存光能的效果。

3.3.3 菲涅爾透鏡提高太陽能吸收效率的研究

為將太陽能電池充電效率提高，可以考慮將太陽光匯聚在面積有限的太陽能電池板上，而太陽能聚光器是一種可以通過增加光留密度提高太陽能電池效率的儀器，其又可根據不同結構分為透射式聚光器和反射式聚光器。本文中將采用的菲涅爾透鏡是一種透射式聚光器，輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關系見圖5。

圖4 太陽能電池板結構圖

圖5 輸出功率與菲涅爾透鏡透光面積之間的關系

表8為實驗實測數據（參數：電池板面積8.2cm×7.4cm）。

表8 實驗數據

（1）隨著菲涅爾透鏡面積的增加，聚光倍率增大，輸出功率增加，可增強為無菲涅爾透鏡時的15倍以上，因此在不燒壞PN結（P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體基底上，在它們的交界面形成的空間電荷區稱PN結）的前提下，采用菲涅爾透鏡的聚光作用效果很好。考慮到太陽能電池板可能被燒壞，需要在其下邊增加散熱材料，可以間接提高太陽能電池板的功率。

（2）隨著菲涅爾透鏡面積的不斷增強，在面積比達到10的時候，輸出光電流還在增強，沒有達到飽和點，說明其利用價值非常高。

（3）非晶硅太陽能電池板與電路參數的匹配。

4 結語

將拆機電池回收利用，低碳環保；使用太陽能電池充電，綠色能源利用；通過菲涅爾透鏡，有效提高太陽能電池效率。拆機電池與非晶硅太陽能電池的組合應用具有很大的推廣應用空間，主要體現在以下幾個方面：體積小、重量輕、電池可折疊，方便攜帶；市電、太陽能電池雙供電，便于野外工作；拆機電池原材料來源廣泛，且可利用價值高，節能環保；菲涅爾透鏡可同時用于引火等其他野外應用。

［1］ 鄒建兵.用于聚光太陽能系統的菲涅耳透鏡的制作研究［D］.蘇州：蘇州大學，2010.

［2］ 陰軍英，張 超，王彩紅.廢舊鋰電池的回收和綜合利用研究［J］.廣東化工，2011，38（7）：84～87.

［3］ 吳宇平，戴曉后，馬軍旗，等.鋰離子電池——應用與實踐［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［4］ 吳賀利.菲涅爾太陽能聚光器研究［D］.武漢：武漢理工大學，2010.