淺談太陽能充電系統結構原理及應用

黎運宇

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

1 太陽能應用簡述

太陽內部高溫核聚變反應所釋放的輻射能，其中約二十億分之一到達地球大氣層，是地球上光和熱的源泉。太陽能（Solar Energy）通常是指太陽光的輻射能量，在現代常用作發電，這是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風能、化學能、水的勢能等［1］。利用太陽能方式有主動式、被動式之分。目前人類直接利用太陽能還處于初始階段，其主要用在太陽能發電、集熱方面。建筑方面，如供熱水系統、取暖房；通信方面，如太陽能無線監控、空間太陽能電源等；還有光化利用、光生物利用等。

太陽能充電是利用太陽能電池板發電后給所需電池及其設備供電、儲電的過程。按供給產品的對象不同有手機、筆記本、電動車、相機、電動玩具車等充電器，還有萬能充電器。

2 太陽能充電系統的結構及原理

充電系統是將太陽能轉換為電能以后存儲在蓄電池里面，蓄電池可以為任何形式的蓄電裝置［2］。其結構如下:①太陽能板或太陽能電池組；②充電控制器或調壓元件；③被充電對象的電池或電池組，燈具、電機等設備；④電源選擇開關或其他附件。

充電系統原理:把太陽能電池板放置在陽光比較充足的地方，電池板接收光源，利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換成電能，通過控制器、整流穩壓裝置調節輸出電壓的高低，提供滿足要求的電源。

3 充電系統各部分的功能及作用

3.1 太陽能電池板是關鍵

我國光伏產業以每年30%的速度增長。最近三年全球太陽能電池總產量平均年增長率高達49.8%以上［3］。生產太陽能電池的材料有多晶硅、單晶硅、非晶硅、硒銦銅、砷化鎵等，這些材料均有對光響應并能將光能轉換成電能的功能，具有基本相同的發電原理［4］。即光伏效應:當半導體材料P－N結受光照時，對光子的本征吸收能夠產生光生載流子，P區的光生電子，N區的光生空穴和結區的電子空穴對，擴散到內電場附近時能在內建電場作用下漂移過P－N結，光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區，即屯子空穴對被內建電場分離，這導致在N區邊界附近有光生電子積累，在P區邊界附近有光生空穴積累，它們產生一個與P—N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區指向N區，此電場使P－N結勢壘降低，勢壘的減小量即光生電勢差，且P端為正，N端為負，實際上，并非所產生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻［4］。當P－N結兩側集聚的電荷形成電位差，如果外接電路導通，則會形成光生電流而輸出一定的輸出功率，這是大多數晶體光生電流的能量轉換過程。能否順利實現充電過程，太陽能電池板起到了關鍵的作用，其好壞決定了太陽能的轉化率高低，如今我國太陽能電池板的太陽能光電轉化率能達到18%左右。

3.2 充電控制器實現自動控制

充電控制器是根據具體充電電路需要設計的，最簡單的是采用防反二極管，這一做法僅能實現當太陽能沒有或是低于蓄電池時不讓電流反向流通。為了保護蓄電池、用電器，防止過電壓過電流充電，可以根據太陽能的強弱，實現升壓、降壓、穩壓和報警功能。為防止電池的記憶功能降低電池的使用壽命，當蓄電池飽滿時切斷充電電流或充電結束關斷、實時顯示電壓功能。要求高的充電控制器則能實現電壓的正負增量、溫度、時間、最高或最低電壓的控制，如目前國內普遍采用最大功率跟蹤法。為了很好的散熱通常加裝小的風扇。當電池的類型不同時應選擇不同的充電控制器。

3.3 充電對象

當接收到的太陽能轉換成電能后經過控制器可以直接供給所用的照明設備或其他所需用電設備，如手機、照明、戶外廣告、航空航天等。許多情況下將轉換來的電能直接作為電路板的電源，使電路產生響應。另外還可以將所轉換來的電能存儲起來，作為移動電源或是在太陽能缺少時保障用電設備正常運行所需的電源。在此情況下，需要蓄電池或蓄電池組。

3.4 電源選擇開關或其他附件根據需要添加

選擇開關可以實現以下兩種情況的轉換:①太陽能光源不足無法繼續給用電器供電時，選擇備用電池供電；②太陽能不能給電池充電時要用交流電給電池繼續充電，以彌補太陽能不足時保證電池或用電器正常長時間工作。有些用電器需要的是交流電，則需要在電池輸出的電路中加裝DC－AC逆變器，這樣就可以滿足將電池輸出的直流電供給需要交流電的用電器。對于需要不同電壓的設備或是多型號電池的場合，可以加裝調壓電路或是調壓器來實現，達到輸出多種不同電壓的要求。

4 太陽能充電系統的研究現狀分析

太陽每年輻射到地球表面的能量為50×1018kJ，相當于目前全世界能量消費的1.3萬倍［5］。我國太陽能資源豐富，能源清潔，轉換比較方便，所用電池和設備材料比較容易獲得，技術日漸成熟，因此我國利用太陽能作為今后的一種替代能源趨勢明顯。

4.1 太陽能電池板的研究和應用

從20世紀80年代起，我國在引進了國際先進技術的基礎上開始了自主的太陽能電池研究，目前已經批量生產?；诠璧陌雽w特性研發成功的屬于第一代太陽能電池，目前約占整個太陽能電池市場的86%以上［6］。文獻［7］分析了光轉換材料外量子效率的計算方法，列出了表示光和有效輻射與光照度的關系表達式E＝5.07×10－3L，論述了太陽能電池能源豐富，清潔高效，其系統不但可隨著環境和規模的變化而進行擴充和縮減控制，易于安裝，大大降低了成本，其轉化過程中也沒有能量的耗費等優點。

目前市場上的太陽能電池主要是硅基太陽能電池，其中又以多晶硅太陽能電池為主流。硅基太陽能電池的硅片厚度已由20世紀70年代的450～500μm降低到目前的180～280μm，預計2020年硅片厚度將降低到80～100μm［8］。以此發展能達到減小體積，節省材料的目的。

隨著技術進步、新工藝的出現，太陽能電池發展的新方向為薄膜電池、疊層電池、柔性電池、料敏化太陽能電池，這些已經成為研究熱點。我國在20世紀90年代已經介入這些領域的研究，特別是在新型染料合成、半固態電解質研究、以及示范工程方面有明顯特色，清華大學在一維光陽極材料的基礎研究方面做了大量工作［8］。在跟蹤技術方面，如文獻［9］總結出太陽能主要有閉環單軸跟蹤、閉環雙軸跟蹤、開環單軸跟蹤、開環雙軸跟蹤及混合式跟蹤等跟蹤裝置，討論了視日運動軌跡跟蹤，光電跟蹤，混合式跟蹤方式的研究應用進展。部分研究由原來的靜態研究轉為動態化研究。如文獻［10］研究出太陽能電池的動態模型和動態特性，并得出了特性方程。研究方向由晶體轉為非晶體方向。文獻［11］利用射頻等離子體增強化學氣相沉積工藝（RF—PECVD）制備非晶硅鍺薄膜，在此基礎上制備出效率為6.65%的非晶硅鍺（a.SiC，e:H）單結太陽能電池。由當前的成熟技術無機電池研究發展為有機太陽能電池的研究，有機電池轉化效率已達到6.77%［12］。

4.2 充電控制器的研究與應用

充電器的種類很多，常規的交流電源充電器基本上得到了普及，如手機、電動自行車、家用小電器、玩具等設備用充電器。目前充電器的新產品日新月異，品種繁多，有簡易的、環保的、恒壓的、二次儲能的、數字控制的、全自動的等，見文獻［13］、文獻［14］、文獻［15］。當今采用的芯片也多樣化，有基于LP394，LM2577，LM339，MAX631，PIC16F73，LM2596T，MC33063，HT46R24，LT3562等；采用跟蹤方式有被動式、主動式、混合式等?？傊涑晒S富，功能多樣，設計電路智能化，輸出電壓穩定，太陽能光轉換率越來越高，成本也越來越低。

4.3 蓄電池的研究與應用

蓄電池的種類較多，其技術已經比較成熟，如鉛酸電池的成本低，安全性和可靠性高，因此在電力、通信行業早已廣泛應用；鋰電池是近20年來暢銷的一種移動式電池，成本低，容量大，但提高其安全性是研究的重點。隨著社會的需求日益加大，目前新型電池得到了研究和推廣使用，如具有容量大、功率大、效率高、壽命長、安全性高等優點的液流電池；儲量豐富、成本較低、循環壽命長的鈉硫電池［16］；鈉離子電池、液態金屬電池等。研究人員一直試圖尋找儲能更大、功率更強、效率更高、成本更低、使用更安全，壽命更長的電池。

4.4 太陽能充電系統的應用期待

進入21世紀，人們的生活更加豐富多彩，移動設備越來越多，需要充電的設備也日益增多，尋找補充的電能源需求十分迫切。太陽能的能量大，優點突出，如何利用好太陽能是擺在科研工作者面前的新課題，主要需做好如下工作。

（1）加大太陽能的相關產品的研發，研制出更適合用戶使用的充電系統；

（2）喚起人們使用相關產品的共識，自覺參與應用太陽能充電系統產品；

（3）政府相關部門加強引導宣傳把政策落到實處。

太陽能充電系統的應用在以下幾個方面值得期待:

（1）太陽能充電產品更豐富，外觀更漂亮，使用更方便，成本及價格更低，百姓愿意使用意識增強；

（2）太陽能利用率、轉化率雖有較大提高，但是太陽能電池板轉換率不能長時間徘徊在百分之十幾；

（3）太陽能控制器趨于大規模集成化，數字化，陽光跟蹤自動化；

（4）蓄電池性能更穩定，儲能量大，充電時間短放電時間長，安全性有保障，種類更多，新材料電池不再是個別的出現；

（5）研究日趨活躍化，使用更加普及化，部分替代常用的水力火力發電。減緩日趨緊張的電力資源短缺矛盾。

5 結束語

減少能源損耗是科研工作者義不容辭的責任所在，推廣太陽能資源的利用，是彌補資源緊張的必要措施之一，國家十二五規劃出臺了一系列政策，有助于加強太陽能的利用，彌補我國電力能源的嚴重不足現實。本文在前人的基礎上把太陽能電池板、充電器、充電電池綜合成為一個系統來研究，力求在提高太陽能利用率，增強大眾的認識，加大推廣太陽能使用方面起到一定的積極作用。

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