《光伏发电系统集成》课件-项目一：太阳能手机充电系统设计

2017年“一流应用技术大学”建设项目国际化专业教学资源天津中德应用技术大学2017年“一流应用技术大学”建设项目成果太阳能手机充电系统设计汇报人：代用名日期：2018年11月目录任务提出任务解析太阳能太阳电池1234太阳电池5768锂离子电池任务实施应用案例1任务提出1.1任务提出Putforwardthetask太阳能手机充电系统设计

太阳能在我们可以预见的未来是取之不尽用之不竭的可再生资源。太阳能在电子产品方面的应用给人们的生活带来了极大便利，用户只需将光伏电池置于阳光下，就可以将太阳能转化为电能，实现对负载或蓄电池的供电或充电。比如太阳能玩具、太阳能计算器等应用无处不在。太阳能玩具太阳能计算器本项目要求设计一套太阳能手机充电系统，手机锂离子电池为3.6V，容量为1500mAh，实现用太阳能给手机充电，无须外接电源，尤其在户外可实现对手机充电。系统效果图如下：Putforwardthetask太阳能手机充电系统设计太阳能手机充电1.1任务提出2任务解析1.2任务解析Taskanalysis太阳能手机充电系统设计

从其应用类型来看，太阳能光伏发电系统主要分为离网（独立）光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电系统不和电网相连，系统独立发电、独立供电、环保安全，不需要其他能源消耗，直接向负载供电，是光伏发电应用最原始、最简单的一种供配电方式。优点简单、经济、灵活，适用范围广缺点用电可靠性差，管理控制比较分散、麻烦

太阳能手机充电系统属于这种简单的独立光伏发电系统，主要由光伏组件、充电控制电路和手机锂离子电池三部分组成。3太阳能太阳能资源太阳辐射的计量及峰值日照时数太阳能发电的优缺点1.3太阳能Thesolarenergy太阳能手机充电系统设计1.3.1太阳能资源

太阳能（solarenergy)是由太阳的氢经过核聚变而产生的一种能源。太阳的寿命很长，是一种无限的能源；太阳能不含有害物质、不排出二氧化碳，是一种清洁的能源；可见太阳能能量巨大，具有非枯竭、清洁等特点，是一种非常理想的能源。A广义风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳，即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能。B狭义太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

我国太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年辐照总量大于502万KJ/m2，年日照时数在以上。辐照总量大于502万KJ/m2，年日照时数在2000h以上。太阳能手机充电系统设计1.3

太阳能Thesolarenergy

全年日照时数为3200~3300h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为66800~8400MJ，相当于225~285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地，是我国太阳能资源最丰富的地区。一类地区

全年日照时数为3000~3200h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为5852~6680MJ，相当于200~225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地，为我国太阳能资源较丰富区。二类地区三类地区

全年日照时数为2200~3000h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为5016~5852MJ，相当于170~200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。四类地区

全年日照时数为1400~2200h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为4190~5016MJ，相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，太阳能资源少，秋冬季太阳能资源还可以。五类地区

全年日照时数为1000~1400h，在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为3344~4190MJ，相当于115~140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区。太阳能手机充电系统设计1.3

太阳能Thesolarenergy

1.3.2太阳辐射的计量及峰值日照时数日照强度（Irradiance)一般用单位面积、单位时间的能量密度来表示，单位为mW/cm2、kW/m2或J/（cm2·min）等。由于照射在地面上的太阳光的强度随时间变化而变化，因此，发电用太阳电池的出力也会随太阳光的强度而变，所以日照强度是表示太阳电池特性、各种测量以及太阳能光伏系统设计中的基本量之一。日照强度01日照量由日照强度与时间决定，由每日、每月累计而成。一般来说，日照量是指由每天的入射能量经过累积而得到的各月的平均值。单位为Wh或kWh等。日照量02太阳能手机充电系统设计1.3

太阳能Thesolarenergy日照强度

在单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率或辐射通量，单位为瓦（W）；太阳投射到单位面积上的辐射功率(辐射通量)称为辐射度或辐照度，单位为瓦／平方米(W／m2)。03

对于太阳辐射能量，在不同的资料中，有时可以看到不同的单位制，如卡、千卡、焦耳和兆焦等。其换算关系为:

在太阳能发电的测量与计算中，最方便的单位应该取千瓦（kW）和千瓦时（KW۰h），面积的单位取平方米（m2）。对不同资料来源的数据要先换算再计算，从而避免计算错误。1KW۰h=1000000mW۰h=3.6MJ=859.845kcal1cal=4.1868J=1.1628mW۰h1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.78mW۰h/cm2=0.2778KW۰h/m21KW۰h/m2=85.98cal/m2=3.6MJ/m2=100KW۰h/m2太阳能手机充电系统设计1.3

太阳能Thesolarenergy

日照时数是指某个地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（一般以气象台测定的120W/M2为标准）时直到小于此幅度所经过的时间。平均日照时数是指某地的一年或若干年的日照总时数的平均值。峰值日照时数是将当地的太阳能辐射量折算成标准测试条件下（1000W/M2）的时数。

峰值日照时数04有关换算关系如下：如果斜面辐射量的单位是，就有

峰值日照时数（h）=辐射量×0.00116

式中0.00116为将辐射量的单位cal/cm2折算成峰值日照时数的折算系数。如果斜面辐射量的单位是MJ/m2,就有峰值日照时数=A(3.6×365)

式中，A为倾斜面的上年辐照总量，单位MJ/M2；3.6为单位换算系数，1KW۰h=1000（J/s)×3600s=3.6×106J=3.6KJ1MJ=1KW۰h/3.6换算05太阳能手机充电系统设计1.3太阳能Thesolarenergy1.3.3太阳能发电的优缺点太阳能发电的优点

太阳能发电是一种最具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点有以下几点。

(1)太阳能资源取之不尽，用之不竭。(2)太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。(3)光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光子到电子的转换，没有中间过程。(4)光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好。(5)光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。(6)光伏发电无机械传动部件.操作、维护简单,运行稳定可靠。(7)光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长(30年以上)。(8)太阳能电池组件结构简单，体积小、质量轻，便于运输和安装。太阳能手机充电系统设计1.3太阳能Thesolarenergy1.3.3太阳能发电的优缺点太阳能发电的优点02太阳能手机充电系统设计1.3太阳能Thesolarenergy1.3.3太阳能发电的优缺点太阳能发电的缺点

太阳能发电也有它的不足和确定，总结有如下几点：太阳能手机充电系统设计1.3太阳能Thesolarenergy①能量密度低②占地面积大③转换效率低⑤受气候环境因素影响大

⑥地域依赖性强⑦系统成本高⑧晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗

02太阳能发电的缺点4太阳电池结构与工作原理太阳电池分类太阳电池技术参数太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell

太阳电池的工作原理是基于P-N结的光伏效应，即在光照条件下，P-N结两端出现光生电动势的现象，如图1-5所示。图1-5太阳电池的工作原理1.4.1太阳电池工作原理

太阳电池根据其使用的材料可分成硅系太阳电池、化合物系太阳电池以及有机半导体系太阳电池等种类，如图1-9所示。硅系太阳电池为，可分成晶硅系太阳电池和非晶硅系太阳电池，而晶硅系又可分成单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。

化合物半导体太阳电池可分为Ⅲ-V族化合物（GaAs）太阳电池、Ⅱ-Ⅵ族化合物（CdS/CdTe）太阳电池以及三元（Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ族）化合物（CulnSe2:CIS）太阳电池等。

有机半导体太阳电池可分成染料敏化太阳电池以及有机薄膜（固体）太阳电池等。太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell1.4.2太阳电池分类图1-9太阳电池的种类和特性太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell1.4.3太阳电池技术参数

太阳电池的技术参数主要有短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。太阳电池的正极（+）、负极（-）之间未被连接状态时的电压，称为开路电压（OpenCircuitVoltage），用表示，单位伏特（）。1．开路电压2．短路电流

太阳电池的正极（+）、负极（-）之间用导线连接形成短路状态时的电流，称为短路电流（ShortCircuitCurrent），用表示，单位安培（）。

峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指太阳电池在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：。峰值功率的单位是W。太阳电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和工作温度，因此太阳电池的测量要在标准条件下进行，具体条件为：辐照度、光谱AM1.5、测试温度25℃。5.峰值功率太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell3.峰值电流

峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳电池输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是A。

峰值电压也叫最大工作电压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳电池输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是。4.峰值电压太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell6.填充因子

填充因子也叫曲线因子，是指太阳电池组件的最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值。填充因子是评价太阳电池组件所用电池片输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明所用太阳电池组件输出特性越趋于矩形，电池组件的光电转换效率越高。太阳电池组件的填充因子系数一般在之间，也可以用百分数表示：太阳能手机充电系统设计1.4太阳电池solarcell7．太阳电池的转换效率

太阳电池的转换效率（ConversionEfficienc）定义为，在标准辐照条件（AM1.5)下，电池的最大输出功率与输入光功率的比值，用来表示照射在太阳电池的光能量转换电能的大小。其公式表示为：5充电控制电路直流斩波电路的工作原理降压斩波电路升压斩波电路太阳能手机充电系统设计1.5充电控制电路Chargingcontrolcircuit

电控制电路的基本组成是采用直流斩波电路。直流斩波电路是将直流电压变成另一个固定电压或大小可调的直流电压。直流电压变换电路一般是指直接将一个直流电变为另一固定或可调电压的直流电，不包括直流-交流-直流的情况。

直流斩波电路根据电路形式的不同可以分为降压式电路、升压式电路、升降压式电路、库克式斩波电路和全桥式斩波电路。其中降压式和升压式斩波电路是基本形式，升降压式和库克式是它们的组合，而全桥式则属于降压式。下面重点介绍直流斩波电路的工作原理、升压、降压式斩波电路以及升降压斩波电路。

直流斩波电路是直流变换电路中最常用的一种控制方式，基本电路如图1-20（a）所示。当开关S闭合时，负载电压，持续时间；当开关S断开时，负载上电压，持续时间。斩波电路的工作周期。电路的输出电压、电流波形如图1-20（b）所示。太阳能手机充电系统设计1.5充电控制电路Chargingcontrolcircuit1.5.1直流斩波电路的工作原理图1-20直流PWM控制电路太阳能手机充电系统设计1.5充电控制电路Chargingcontrolcircuit1.5.2降压斩波电路

降压变换器因能降低输入电压而得名，又名直流降压斩波电路（BuckChopper），如图1-21所示。该变换器中的开关器件可以是双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关以较高频率周期性地导通和关断，典型频率为几十kHz。图1-21降压变换器电路太阳能手机充电系统设计1.5充电控制电路Chargingcontrolcircuit1.5.3升压斩波电路

升压斩波电路的原理如图1-24所示。升压斩波电路与降压斩波电路最大的不同点是，斩波控制开关VT与负载呈并联形式连接，储能电感与负载呈串联形式连接。图1-24升压斩波电路

当VT导通时（），能量储存在L中。由于VD截止，所以期间负载电流由C供给。在期间，VT截止，储存在L中的能量通过VD传送到负载和C，其电压的极性与U相同，且与U相串联，产生升压作用。6锂离子电池锂电池的结构与工作原理锂离子电池的参数太阳能手机充电系统设计1.6锂离子电池Lithiumionbattery1.6.1锂电池的结构与工作原理

锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作，具有独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。太阳能手机充电系统设计1.6锂离子电池Lithiumionbattery

当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择在空气中稳定的层状多元过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4，充放电过程如图1-29所示。图1-29锂电池充放电过程太阳能手机充电系统设计1.6锂离子电池Lithiumionbattery1.6.2锂离子电池的参数（1）标称容量

指电池按规定充电方式标准充电至4.2v后，搁置0.5～1小时，再以0.2C5A电流恒流放电，截止到电压2.75v时所释放的容量。0.2C5表示电池充放电时使用的电流大小为标称容量数值的0.2倍，0.2C5A表示电池测试时用0.2C5的电流来充电或放电。（2）标称电压国标中规定单节锂离子电池标称电压为3.7V。太阳能手机充电系统设计1.6锂离子电池Lithiumionbattery（3）循环寿命

在环境温度（20±5）℃的条件下，以1.0C5A恒流充电，当电池电压达到4，2V时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于20mA，停止充电，搁置0.5～1小时小时，然后以1.0C5A电流恒流放电至终止电压2．75v，放电结束后搁置0.5～1小时、再进行下一个充放电循环，直至连续两次放电时间小于36分钟，则认为寿命终止。一般循环寿命不小于300次。（4）内阻

一般锂离子内阻在150m以内。

是指电池在满电状态下(4.2V)，以0.2C5A电流恒流放电截止到电压2.75v释放容量所用的时间，一般不小于45分钟。（5）平台时间7任务实施系统方案设计太阳能电池组件的选型与计算控制电路设计太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask1.7.1系统方案设计

本项目中设计的太阳能手机充电系统由太阳能电池组件、DC-DC升压电路、锂电池充电管理电路、锂离子电池等组成，系统框图如图1-30所示，在实现过程中重点考虑太阳能电池组件、控制电路与负载（锂离子电池）三部分内容。图1-30太阳能手机充电系统框图太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask1.7.2太阳能电池组件的选型与计算

作为手机充电的太阳能电池组件，一般只要电压和功率满足充电要求就能实现手机充电。所以选择单晶硅、多晶硅或者薄膜光伏组件没有具体要求。但从随身携带方便的角度考虑，可以选用薄膜光伏柔性组件，其外形如图1-31所示，这里薄膜柔性电池可以选择非晶硅或者铜铟镓硒柔性组件。

图1-31薄膜柔性电池太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask2.组件电压确定

手机锂电池电压一般在范围内，4.2V是电池充满电后的最高电压，3.6V是额定电压，放电曲线中的最稳定的电压值。锂电池电源管理芯片控制充电，当电压达到4.2V时停止充电。要实现手机锂离子电池3.6V电压充电，充电光伏组件的电压必须达到。太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask3.组件功率计算（1）如果不考虑锂离子电池充电时间，可选择小功率光伏组件，参数见表1-1。项目中手机锂离子电池标称容量C为，推荐充电电流为0.5C，则充电电流为光伏组件的最大工作电流范围为，光强较强时组件满足充电要求，这种情况需要配置合适的稳压电路即可。假设充电电流为800mA，则充电时间小于两个小时。但是一般光照时，光伏组件的最大工作电流不能达到几百mA，所以实际充电时间较长。太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask编号项目Item规格01封装方式金属背板+高阻水封装磨砂前板03电池类型Solarcell铜铟镓硒（CIGS）04最大功率Pmax

05最大工作电压OperatingVoltage

06最大工作电流OperatingCurrent

07开路电压OpenCircuitVoltage（Voc）

08短路电流ShortCircuitCurrent（Isc）

09工作温度OperatingTemperature

10尺寸Dimensions表1-1小功率光伏电池组件参数太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask（2）如果考虑将手机电池在短时间充满，则需要选用大功率光伏组件，或者将小功率光伏组件串并连得到大功率组件。本方案选择两块小功率光伏组件串联，然后使用直流PWM控制电路进行电压变换给锂离子电池充电。3.组件功率计算

本项目方案设计中充电控制电路采用MC34063组成的降压式开关电路，如图图1-32所示。电路主要由储能电感L、续流二极管VD

和滤波电容C组成，外围元件少。太阳能手机充电系统设计1.7任务实施Centraltask1.7.3控制电路设计图1-32MC34