环保节能的太阳能充电器
电子与信息工程系 电子信息工程专业 118542005080 黄莉 指导教师 张荣刚
【摘要】本文介绍了太阳能充电器的基本工作原理。在设计中利用电压比较器作为控制部分的核心，这里使用的是LM339，对蓄电池的电压进行设计，在5.4V—7.2V之间蓄电池进行正常的充电与放电，超过7.2V或低于5.4V时继电器开关动作对蓄电器进行过充，过放等保护。提高了蓄电池的使用性能及寿命。在不同的状况均有相对应的指示灯显示，同时采取相应的保护措施。无论在白天还是黑夜通过电路设计均能给负载通电，使其一直处于工作状态。
【关键词】太阳能电池；蓄电器；电压比较器；继电器
1.引言
我做这个设计的意义在于，现在全国上下都在呼吁建设节约型社会，走可持续发展道路。而我们面对着各方面资源的频频告急，如：电力、煤炭、石油等多种不可再生能源。因此能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。目前，我国已成为全球主要的太阳能充电器生产国，在20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能充电器生产线。现在中国已经成功超越欧洲、日本成为世界太阳能充电器生产第一大国。
据有关数据资料显示：预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发
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展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能充电器市场前景广阔。
而作为太阳能充电器本身而言，也十分具有价值。它作为一种新型电源，具有：①永久性、②清洁性、③灵活性三大优点。太阳能充电器寿命长，只要太阳存在，太阳能充电器就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能充电器不会引起环境污染；太阳能充电器可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。
2.系统介绍
2.1系统基本组成简介
太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。而在此所做的电路中，由于输出的不需要交流，所以没有使用到逆变器。
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各部分的作用为：
（1）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，然后送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
（2）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
（3）蓄电池：一般为铅酸电池。小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是
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在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
2.2工作原理介绍
首先对太阳能电池板进行简要的介绍： 光—电直接转换方式，该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串
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联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
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系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理。有光照时，太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，一方面经过充放电控制器储存在蓄电池中，当充放电控制器侦测到超过蓄电池的极限电压时，通过继电器J1断开对蓄电池的充电，实行对蓄电池的过充保护；另一方面由太阳能输出的电能直接对负载供电。没有光照时，当照度逐渐降低，由太阳能供电给负载那路自然不起作用，这时只能由蓄电池放电给负载，当充放电控制器侦测到蓄电池放电量低于最低的电压值时动作，即通过继电器J2断开，停止蓄电池对灯头放电，起到对蓄电池的过放保护。
简单的原理框图如下图2-1所示：
太阳能电池板 控制器(过充保护) 直流负载 蓄电池 图2-1 原理框图
简单的原理图如图2-2所示:
控制器（过放保护） 2
J2 D J1 L SB B 蓄电池组E
图2-2 原理图
在图2-2中：SB是太阳能电池组；E是蓄电池组；D是晶体二极管；J1、J2是继电器开关；L是负载电灯。晶体二极管在这里称为防回流二极管，防止在无光照时，蓄电池对太阳能电池回流反充，造成不必要的电能损失。它的作用原理可以这样说明：当太阳能电池接受光照时，输出电压大于蓄电池电压，二极管处在正向导通状态，就对蓄电池进行充电。如果太阳能电池在无光照射时，蓄电池电压就高于太阳能电池电压，但由于二极管处于反向截止状态，所以避免了反向回流。
这里之所以设计成可储存太阳能电源，它的最大优点是：当太阳能电池组受光照以后，产生光生电流，通过正向导通的二极管对蓄电池充电，把太阳能以电能的形式储存起来，又可以同时向外电路负载供电。由此可见，无论光照变化或负载变动，由于蓄电池的储存和调节作用，使一定功率的负载总是能得到连续而平稳的电流。这种典型的太阳能电源，可以实际应用的地方很多，大到人造卫星的电源，小到电子计算器和电子手表的电源，都是利用这种最基本的电路。
3、系统设计思想
3.1太阳能发电系统的设计需要考虑如下因素：
（1）太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？
答：太阳能发电系统在福清使用，该地属亚热带海洋性季风气候，年均气温16一20℃，年降水量
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900一2100毫米，平均日照数1700一1980小时。 （2） 系统的负载功率多大？
答：在此设计中负载功率为：30一40mw。 （3） 系统的输出电压是多少，直流还是交流？ 答：系统输出电压是6V，直流。 （4）系统每天需要工作多少小时？ 答：系统每天需要工作半小时以上。
（5）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？
答：若没遇到阳光的天气，像阴雨天或夜晚，系统应能使用蓄电池供电半小时以上。 （6） 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？ 答：负载是纯电阻，启动电流6mA。 （7）系统需求的数量？
答：此处中负载为一个发光二极管。
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3.2 太阳能电池组件选型
太阳能充电器的关键元件是太阳能电池。太阳能电池是能够将太阳光能直接转变为电能的半导体器件，不需要任何动力，也没有一点噪声，体积小，重量轻，寿命长。太阳能电池的种类较多，主要有硒光电池、砷化镓电池、非晶硅电池，多晶硅电池和单晶硅电池等，生产技术上最为成熟的是单晶硅电池。
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单晶硅太阳能电池最初应用于人造卫星电源，现在已推广在地面应用。
综合考虑各方面信息，如技术、用途、经费等，并且由于在福州的电子城没有卖太阳能电池板，所以本次设计用的太阳能电池板是通过网购的一直径81MM太阳能电池板4V60MA /片。实物如下图3-1所示：
图3-1 太阳能电池板
关于这块太阳能电池板的相关性能：太阳能电池板一般不是直接给设备用的,一般是给蓄电池充电的.以下常规太阳能及蓄电池的充电选项可供参考:
蓄电池 太阳能电池板电压 1.2V 2-2.5V 2.4V 3.5-4V 3.6V 5-6V 6V 7.5-9V 12V 15-18V 材质:单晶/多晶
太阳能测试标准:光照强度:1000W/平方米,温度25度)
封装方式:PET层压,线路板+薄膜层压(优势比滴胶的重量更轻,寿命更长,比网化玻璃更不易碎.是集中了钢化玻璃和滴胶的双重优点.)
产品寿命:10-20年 外观尺寸:直径81MM 产品厚度:2.3-2.8MM 工作电压:4V 工作电流:60MA 功率:0.24W
我通过所做的电路进行计算得出：需要的蓄电池为6V，那么根据以上资料所示，即需要7.5一9V的太阳能电池板。在这款太阳能电池板中，每片的工作电压为4V。因此我买2片，将它们进行串联，这样它的工作电压就能到达8V，就能给6V的蓄电池进行充电，满足电路的需求。
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4、系统制作流程
4.1定课题
我想利用身边的资源如太阳能，来作为课题的切入点。同时也因为福清地区在夏天时太阳光很充足，为客观方面提供了条件。太阳能资源是国际呼吁使用的好能源，目前各国都在研究发展此能源。在我国也已经进入领先水平，在不久的将来必定会有大量的太阳能产品投入市场。所以我定的这个设计题目具有多种实际的意义。
4.2绘制电路图
首先在我设计的电路图中，我要实现的功能是在有阳光的时候太阳能电池板不仅能对蓄电池充电又能对负载供电，没有阳光时，有蓄电池对负载供电。在电路中的通断电是由电路自动控制的。当蓄电池的电压大于7.2V时，继电器J1断开即太阳能电池板对继电器充电的那条电路断开；当蓄电池的电压小于5.4V时，继电器J2断开即蓄电池对负载供电的那条电路断开。在控制部分用比较器和继电器进行，不用单片机实现，这样就简化了实现过程。确定了实现的功能后，就根据功能进行设计。
在第一次的原理图中，我使用了LM393作为控制部分的核心部件,用LM317作为输出稳压电源。查过相关资料后，发现LM339比LM393更常用与电压的比较，实现起来所受到的限制、影响均比LM339要小；发现LM317既然是作为直流的稳压电源输出还不如用78或79系列的芯片，78和79系列的芯片是专门具有这功能的，而且在大部分电路中广泛使用，资料齐全，我要的是输出5V，那么就将LM317改为了7805。
在第二次的原理图中，将LM339内部的四个比较器都用上了，制成了2个窗式比较器；7805设计成可调的输出电压，通过uA741或LM358来实现。
可调的7805如图4-1所示：
图4-1 可调的7805
LM339中四个比较器都用上的电路图如图4-2所示：
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图4-2 LM339中四个比较器
在第三次的原理图中，均对LM339和7805部分的电路进行了调整。将LM339使用四个比较器改为使用二个，制成一个窗口比较器也同样能实现上述功能，同时电路也相对简单了些。将uA741或LM358去掉，没有必要实现可调的7805。只要能有稳定电压给比较器输出端的三极管集电极供电流就行。
7805改后的电路如4-3图所示：
图4-3 7805改后的电路
LM339改后的电路如图4-4所示：
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图4-4 LM339改后的电路
在第四次的原理图中，对7805的电路进行了变动，直接换成使用5V稳压管。因为如果用7805的话，它的输入电压至少要8V以上。也就是说，我要买的蓄电池要8V以上，同时太阳能电池板要至少10V以上。这些无疑都增加了成本，在同样能实现功能的基础上考虑使用其他元件替代。因此选用稳压管和一个电阻串联使用，这样就能使用6V的蓄电池作为输入电压，8V的太阳能电池板。
稳压管替代7805的电路图如图4-5所示：
图4-5 稳压管替代7805的电路图
在第五次的原理图中，又将稳压管改为三极管。因为三极管比稳压管更具有稳定性，抗干扰性更好。此电路中用9013型号的三极管。一个三极管的压降很小，大约为0.6或0.7V，要达到3V左右的电压就需要四个左右的三极管。在比较器的参考电源端用12个三极管串联使用。这样电压才能达到7.2V。电路如图4-6所示：
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图4-6 串联的三极管
最后的太阳能充电器原理图如图4-7所示：
图4-7 太阳能充电器原理图
5、调试过程
经过2天的动手焊接，把电路都焊在了万用板上。在做好焊接后，我先使用万用表对每根导线的连
通性进行检测，均能导通。由于做好后这两天都是阴雨天没有阳光，所以检测电路时就没有接太阳能电池板，将买回的蓄电池直接接入电路。现象是万用板上的4个LED灯全亮！这时我又将蓄电池接到太阳能电池板的位置上，出现了相同的现象。下面进行了一些分析:
①电阻用万用表的测量值与设计时的理想值有差别； ②5V继电器通电电压小于4.25V不能正常工作； ③太阳能电池板输出的电压能否达到8V；
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④参数的计算没有考虑细节情况，太表面；
⑤三极管大量使用紧密连接对电路存在一定的影响； ⑥电路设计还有待完善； ⑦用万用板的可靠性比较差；
⑧万用板的背面跳线多，存在一定的干扰； 经过分析后，下面综合实行修改：
①对电路中的参数重新计算，考虑实际误差后对该更换的电阻进行更换；
②对线路的导通性进行详细的检测，不行的、不稳定的重新焊接； ③延长太阳能电池板的光照时间，使其提供足够的电压；
④移动太阳能电池板的光照地点及改变光照角度以最有利的吸收光能为佳；
⑤将直流稳压电源接在继电器的线圈两端，将电压调节到小于4.25V，发现仍可以使继电器动作； ⑥使用直流稳压电源进行检测，观察不同电压情况下各点电压值，查找问题； ⑦将有关线路断开，用万用表检测其电压，推算问题的原因； ⑧对三极管的各个管脚进行检测同时查看三极管的连接，均正确；
⑨使用数字实验箱检测芯片LM339[10]，结果是完好无损的。在比较器的两个输入端都加上电位器，观察到两个输入电压很接近时输出的电平就会有变化；
⑩电路走法[11]，对一些线路进行调整，像：蓄电池过充的时候将原先的通过继电器Ｊ１对它进行切断充电改为减小电流至涓流状态。不仅可以有效的防止蓄电池过充而且防止了蓄电池的容量衰减性老化；在使用的两个比较器输出端加上拉电阻10K，两个输入端加10K作为输入电阻；提高参考电压将1K电阻改为0.33K。
经过以上改进后，有了很大的改善，各点电位均以恢复到理论值，达到预期的目的。
6、实验结果和结论
对于此次设计的最终结果基本达到了预期的要求，即过充时相应的指示灯点亮停止对蓄电池的充电，过放时相应的指示灯点亮停止蓄电池对负载供电，蓄电池在正常电压下对负载供电。在制作调试过程中发现了很多问题。主观方面：自己的理论知识和实践能力有限，虽然理论上设计没有问题，但实际中系统设计仍有待完善；电路设计过程中所掌握的理论知识不够，未能够把电路原理充分掌握之后计算出正确的参数；由于以前的实践能力比较薄弱，电路完成后，在调试过程中由于经验欠缺摸索着把关键的问题找出来并且解决花费时间较长。客观方面：使用万用板跳线多，干扰强，对电路的影响较大。
7、结束语及心得体会
经过这次毕业设计，从定题到动手实现，一个流程下来，感觉自己成长、认识了不少。每一个环节都是在曲折中前进，像定题目时就要考虑很多：要有意义、要实际、要可以买到实物、要能有实现的可能等。在画电路图中，温故了四年来的许多知识也更新了许多知识。因此对于图我也是画了改，改了再改，一次比一次或是简便或是经济。就拿电路中的一小部分电路来说，为了给三极管提供稳定的电压，由原先的LM317—>可调的7805—>不可调的7805—>5V稳压管—>多个三极管的串联，这一系列的改变都是在能实现一样的功能上，以稳定性、抗干扰性能、简便、经济等方面为考虑宗旨。在动手实践中，发现了许多想象不到的、许多细节性的东西。在设计过程中给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事。主要是没有经常动手设计过电路，因此这已经警告我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更注重把书本中学到的知识和实际的应用联系起来。这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助。我相信，用心就会做好一切。
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8、致谢
在这次设计中少不了老师和同学的帮助，它让我跟老师和同学的距离走得更近了。本次的毕业设计得到指导老师张荣刚老师和吴桔生、林章、何华老师的大力支持，在此表示衷心的感谢。我的电路图一次又一次地修改，吴老师一遍又一遍不厌其烦地为我指导以及指导老师张老师对我的毕业设计一直以来的提点。在这些老师的帮助下使我的毕业设计基本达到了预期的要求。同时也感谢在大学四年学习和生活中帮助过我的老师和同学们。在将来的道路上我会谨记你们的教诲，勇往直前。
参考文献
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[4] http://zhidao.baidu.com/question/77893262.html?si=3 [5] 林凌，李刚．实用电子技术1000问[M]．北京：北京东关印刷，2008． [6] http://zhidao.baidu.com/question/950233.html?si=1 [7] http://zhidao.baidu.com/question/37564820.html?si=2
[8] 杨素行．模拟电子技术基础简明教程[M]．北京：高等教育出版社，1985．
[9] 张友汉，姚建永．电子爱好者电子线路设计应用手册[M]．福建：福建科学技术出版社，2000． [10] 余孟尝．数字电子技术基础简明教程（第二版）[M]．北京：高等教育出版社，1999． [11] 李瀚荪．简明电路分析基础[M]．北京：高等教育出版社，2002．
Environmental protection and energy saving of solar charger
Electronic and Information Engineering Department of Electronic Information Engineering 118542005080 HuangLi guiding teacher RongGangZhang
[Abstract ] In the article introduces the solar energy battery charger's key job principle. Takes the control section in the design using the voltage comparator the core, what here uses is LM339, carries on the design to accumulator cell's voltage, the accumulator cell carries on the normal charge and the electric discharge between 5.4V-7.2V, surpasses 7.2V or is lower than when 5.4V the relay switch movement to the condenser to carry on excessively sufficiently, has put and so on protections. Enhanced accumulator cell's operational performance and the life. Has the indicating lamp which in the different condition corresponds to demonstrate that simultaneously takes the corresponding protective measures. Regardless of can give the load circular telegram in the daytime or the dark night through the circuit design, causes it to be at the active status. [keyword] solar battery；storage；electric voltage comparator
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