小型太陽(yáng)能電源設(shè)計(jì)

馮宇琛，潘 迪，張 鈺，張晏嘉，李 強(qiáng)

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾技師學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

隨著傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭以及環(huán)境問題日益嚴(yán)重，新能源的開發(fā)成為當(dāng)前研究人員的重點(diǎn)研究方向[1，2]。其中，能量收集因其具有可持續(xù)性的特點(diǎn)成為新能源開發(fā)中重要的研究方向之一[3]。當(dāng)前，研究人員對(duì)能量收集的研究側(cè)重于采用壓電發(fā)電、電磁發(fā)電、溫差發(fā)電等新興發(fā)電技術(shù)[4-6]。壓電發(fā)電技術(shù)由于壓電材料特性的限制，存在發(fā)電電能較小的缺點(diǎn)；電磁發(fā)電技術(shù)需根據(jù)對(duì)應(yīng)環(huán)境設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)從而進(jìn)行發(fā)電，受場(chǎng)地限制較大；溫差發(fā)電則存在因夏季溫差較小從而不適合在夏季進(jìn)行能量收集。

太陽(yáng)能作為自然界最廣泛的能量，存在無(wú)污染、安全可靠、儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，利用太陽(yáng)能發(fā)電可得到較大的電能，同樣太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)不受能源分布地域的限制且對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的研究技術(shù)較為成熟。因此本文提出一種收集太陽(yáng)能的小型電源設(shè)計(jì)。小型電源以太陽(yáng)能為能量來(lái)源，設(shè)計(jì)針對(duì)光伏電池輸出特點(diǎn)的能量管理電路，電路輸出電能儲(chǔ)存在蓄電池中并為外部小型用電設(shè)備供電。本設(shè)計(jì)可廣泛替代生活中化學(xué)電池的使用，如塑料大棚檢測(cè)系統(tǒng)、交通信號(hào)燈、路燈等地。

1 裝置工作原理及光伏電池特性分析

1.1 裝置基本工作原理

本裝置主要由三部分組成：光伏電池、能量管理電路、電能儲(chǔ)存及外部供電，基本工作原理如圖1所示。光伏電池可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。能量管理電路部分由能量處理電路以及5V升壓電路組成。能量處理電路會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池板輸出的不穩(wěn)定、不連續(xù)的直流電能進(jìn)行一系列處理，輸出穩(wěn)定、連續(xù)的直流電能，隨后經(jīng)過5V升壓電路，輸出5V電壓至儲(chǔ)存部分。

圖1 基本工作原理

1.2 光伏電池輸出特性實(shí)驗(yàn)

光伏電池輸出不連續(xù)、不穩(wěn)定電能，因此需設(shè)計(jì)相應(yīng)能量管理電路。通過光伏電池輸出實(shí)驗(yàn)得到輸出具體參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)所得輸出參數(shù)作為電路設(shè)計(jì)時(shí)的參考。實(shí)驗(yàn)于2019年4月5日進(jìn)行，地點(diǎn)為黑龍江省齊齊哈爾市齊齊哈爾大學(xué)工程樓，實(shí)驗(yàn)使用soltec公司的206-38977型光伏電池，該電池尺寸大小為5cm×5cm，可輸出最大為2V的直流電壓及440mA的直流電流。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定一天不同時(shí)間段單組光伏電池的輸出電壓及電流。實(shí)驗(yàn)時(shí)間從早上8：00持續(xù)到下午16：00，每隔一小時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓、輸出電流進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 功率-時(shí)間變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著時(shí)間變化，輸出電壓及輸出電流成上升趨勢(shì)，在15：00時(shí)其輸出電能達(dá)到最大，電壓為1.0687V，電流為0.1170A。對(duì)圖一所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，得到單組光伏電池功率-時(shí)間變化曲線，如圖2所示。可以看到，光伏電池輸出功率變化趨勢(shì)與輸出電壓、電流變化趨勢(shì)一致，15：00時(shí)光伏電池的輸出功率最大，為0.125W。使用15：00時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為電路設(shè)計(jì)時(shí)的仿真參數(shù)。

2 能量管理電路

2.1 能量處理電路設(shè)計(jì)

光伏電池易受環(huán)境影響輸出不穩(wěn)定、不連續(xù)電能，針對(duì)該問題，結(jié)合文獻(xiàn)[7-9]，設(shè)計(jì)基于LTC3108-1芯片的能量處理電路。LTC3108-1一款低功耗升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，可收集和管理來(lái)自極低輸入電壓源的剩余能量并連續(xù)輸出。該芯片有四種輸出電壓可供選擇：2.5V、3.0V、3.7V以及4.5V。本文選擇輸出電壓為3.3V。電路原理圖如圖3。使用LTspice軟件對(duì)該電路進(jìn)行仿真，設(shè)置輸入?yún)?shù)：電壓1.0687V，電流0.1170A。最終仿真結(jié)果顯示，設(shè)置輸入電壓為1.0687V時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在3.3V，電路設(shè)計(jì)要求基本實(shí)現(xiàn)。

圖3 電路原理圖

2.2 5V升壓電路設(shè)計(jì)

當(dāng)前眾多小型用電設(shè)備如手機(jī)、傳感器等其正常工作電壓皆為5V，因此電能量處理電路輸出的3.3V電壓需再進(jìn)行升壓至5V。CE8301芯片是一款升壓、超小型PFM控制的DC/DC控制器，可在最低0.9V的電壓?jiǎn)?dòng)，輸出電壓1.8-6.5V，該芯片可通過使用電感、電容器和二極管等外接構(gòu)件，形成DC/DC升壓電路。本文設(shè)計(jì)了基于CE8301芯片的5V升壓電路，電路原理圖如圖4所示。

圖4 5V直流升壓電路

OUT1端為該電路輸入端，3.3V電壓由此輸入后，經(jīng)過電路一系列處理，最終在OUT2端穩(wěn)定輸出5V電壓。

3 裝置整體測(cè)試

裝置整體可行性測(cè)試：將兩塊光伏電池串聯(lián)，光伏電池綠色端口接LTC3108-1電路輸入正極，紅色端口接電路負(fù)極，隨后5V升壓電路與LTC3108-1電路輸出端相連，實(shí)物電路圖如圖5。測(cè)試時(shí)選擇在下午15：00進(jìn)行，并將手機(jī)與5V升壓電路輸出端相連，使光伏電池正對(duì)太陽(yáng)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果顯示，光伏電池正對(duì)太陽(yáng)2S后，手機(jī)屏幕顯示開始充電。

圖5 實(shí)物電路圖

4 結(jié)論

本文研究、設(shè)計(jì)了小型太陽(yáng)能電源。首先研究光伏電池輸出特性并進(jìn)行輸出實(shí)驗(yàn)得到光伏電池輸出參數(shù)。針對(duì)光伏電池的輸出特性設(shè)計(jì)了能量管理電路，包括基于LTC3108-1芯片的能量處理電路及基于CE8301芯片的5V升壓電路，通過仿真測(cè)試驗(yàn)證電路的可行性與穩(wěn)定性。對(duì)裝置進(jìn)行整體測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：該裝置輸出電能可供智能手機(jī)正常充電，達(dá)到裝設(shè)計(jì)要求。