太阳能收集充电器的设计
摘要
近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。据预测，到下世纪中叶，可在生能源在世界能源结构中将占到50%以Summary
Thepast30years,solarenergyutilizationtechnologiesinresearchanddevelopment,commercialproduction,marketdevelopmentaspectshavegainedconsiderabledevelopment,becometheworld''sfast,stabledevelopmentofemergingindustries.Includingsolarandrenewableenergyinthenextcenturywillbeanunprecedentedpace,andgraduallybecomeoneofmankind''sbasicenergy.Itispredictedthatthenextcentury,theworldinrenewableenergywillaccountfor50%oftheenergymixover.Itisworthmentioningthatsolarenergywillbeastronggestureofelectronicproductsintotheelectronicsmarket. BasedonthisdesignaDC/DCconverterforthecorecollectionofsolarcharger.Designisdividedintofivechapters,chapteronthebackgroundofthisdesign-solarenergyandrechargeablebatteries,relatedknowledge,includingthehistoryofhumanuseofsolarenergy,solarenergyutilizationinChinaonthesituation,knowledgeofsolarcells,rechargeablebatterytype,andshouldchoosewhattypeofsolarcell,whichchargebatteries,solarenergyweuseandrechargeablebatterieshaveaninitialimpressionofthechargerforthedesignofsolarcollectorstodotheknowledgereserves.Thesecondchapter,settheoverallprogramdesign,pre-conceivedframeworkoftheoverallstructureofthecharger,aswellasprogramanalysis.ChapterIII,inaccordancewiththepredeterminedstructureframeworkplan,thedecouplingcircuit,DC/DCstep-upcircuit,boosttheoutputfiltercircuit,constantcurrentchargingcircuit,terminatingthechargingindicatorcircuitanddetectioncircuitregularpowersupplycircuit,atotalofsixpartsofthemodulecircuitforeachdesign,anddetailsoftheirstructure,functionandcomponentparametersofthecalculationanddetermination.ChapterIV,theintegratedcircuitmodulestodesigntheentirecircuit.ChapterV,apreliminaryfunctionaltest,aftertesting,theactualproductionofsolarbatteriesunder3.1Vvoltage,DC/DCstep-upcircuitcan5.5Vto3.1Vvoltagetochargebatteries,itsefficiencycanbeachievedabout73.2%.
Keywords:solar,DC/DCtransformation，Constantcurrent
前言 1
第一章太阳能的利用和充电电池概述 2
1.1太阳能利用进程 2
1.2太阳能利用最新进展 4
1.3我国对太阳能的利用 5
1.3.1我国太阳能利用产业现状 5
1.3.2我国太阳能利用产业前景 5
1.4太阳能电池 5
1.4.1太阳能电池的分类 5
1.4.2设计所用太阳能电池 6
1.5充电电池 6
1.5.1充电电池分类 6
1.5.2设计所用充电电池 6
第二章充电器总体方案的确定 7
2.1设计要求 7
2.2对设计要求的分析 7
2.3太阳能充电器的框架结构 7
第三章各模块电路设计 9
3.1退耦电路 9
3.1.1退藕电路的结构与功能 9
3.1.2滤波电路各元件数值确定 9
3.2DC/DC升压电路 9
3.2.1升压电路的结构与功能 9
3.2.2升压振荡器的结构 10
3.2.3升压振荡器各元件数值计算 11
3.2.4DC/DC变换限压电路结构与功能 12
3.2.5DC/DC变换限压电路元件数值计算 13
3.3升压输出滤波电路 13
3.3.1升压输出滤波电路电路结构及功能 13
3.3.2升压输出滤波电路各元件数值确定 14
3.4恒流充电电路 14
3.4.1恒流充电电路结构与功能 14
3.4.2恒流充电电路各元件数值计算 16
3.5终止充电指示电路 18
3.5.1终止充电指示电路结构与功能 18
3.5.2终止充电电路元件数值确定 19
3.6监测电路的定时供电电路 19
3.6.1监测电路的定时供电电路的结构与功能 19
3.6.2监测电路的定时供电电路元件数值确定 20
第四章电路图的综合 21
4.1总电路图结构 21
4.2总电路PCB图的绘制 22
第五章电路制作与测试 23
5.1电路的制作 23
5.2电路的测试 23
结论 25
致谢 26
[参考文献] 27
前言
从有人类历史以来，人们对于太阳的崇拜就没有停止过，太阳给予人们光明的同时，也给予人们取之不尽的能源，人们一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖的8．3％面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。今年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。该电站使用的涡轮机不是新的，而是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机，装机容量仅100千瓦，但发电成本仅0．5美分／千瓦小时，效率高达40％—50％。
俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。由此看来，全人类梦寐以求的太阳能时代实际上已近在眼前，包括到太空去收集太阳能，把它传输到地球，使之变为电力，以解决人类面临的能源危机。随着科学技术的进步，这已不是一个梦想。由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站，最近将在太空组装，不久将开始向地面供电。记载，将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史人类利用太阳能已有3000多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段。第一阶段(1900~1920年)
，太阳能动力装置世界上太阳能研究的重点，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。典型装置有：1901年，一台太阳能抽水装置在美国加州建成，采用截头圆锥聚光器，功率：7.36kW；19~1907年，五套双循环太阳能发动机在美国建造，采用平板集热器和低沸点工质；19年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，总采光面积达1250m2。
第二阶段（1920~1945年）
在这20多年中，矿物燃料的大量开发利用发生第二次世界大战（1935~1945年）太阳能研究工作低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。第三阶段（1945~1965年）
在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，再次兴起太阳能研究热潮。这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：194年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年，以色列泰伯等研制成实用的黑镍等选择性涂层在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，为高效集热器的发展创造了条件。，还有其它一些重要成果，比较突出的有：1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨——水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机。在这一阶段里，太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上取得了重大突破加强了太阳能基础理论和基础材料的研究。平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。太阳能吸收式空调的取得进展，建成一批实验性太阳房。初步研究难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术。
第四阶段(1965~1973年）
这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。
第五阶段（1973~1980年）
石油世界能源结构中担当主角，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。于是，西方一些人惊呼：世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。这次“危机”在客观上使人们认识到：现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳能热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：
国家制定了近期和远期阳光计划各国加强了太阳能研究工作的计划性。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。
研究工作日益深入研究领域不断扩大，取得一批较大成果，如真空集热管、CPC非晶硅太阳电池、太阳能热发电光解水制氢等。
要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能各国制定的太阳能发展计划普遍存在。例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座空间太阳能电站500万kW。事实上，后来这一计划进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。太阳热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。
第六阶段（1980~1992年）
70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。导致这种现象的主要原因是：世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响。这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。
第七阶段（1992年~至今）
由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》在（1996~2010年）制出，明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996~2005年），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。目前国际上已经从晶体硅、薄膜太阳能电池开发进入了有机分子电池、生物分子筛选乃至于合成生物学与光合作用生物技术开发的生物能源的太阳能技术新领域。
日前从上海市科委获悉，华东师范大学科研人员利用纳米材料在实验室中成功“再造”叶绿体，以极其低廉的成本实现光能发电。
叶绿体是植物进行光合作用的场所，能有效将太阳的光能量转化成化学能。此次课题组并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体，而是研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池———染料敏化太阳能电池，尝试将光能转化成电能。在上海市纳米专项基金的支持下，经过3年多实验与探索，这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10％，接近11％的世界最高水平。
项目负责人、华东师大纳光电集成与先进装备教育部工程研究中心主任孙卓教授展示了新型太阳能电池的“三明治”结构———中空玻璃夹着一层纳米“夹心”，光电转化的玄机就藏在这层几十微米厚的复合薄膜中。纳米“夹心”的“配方”十分独特：染料充当“捕光手”，纳米二氧化钛则是“光电转换器”。为了让染料尽可能多“吃”太阳光，科研人员还别出心裁地撒了点“佐料”———一种由纳米荧光材料制成的量子点，让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。只要不断改进“配方”，纳米“夹心”的光电转化效率就能一次次提高。
作为第三代太阳能电池，染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算，染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的1／10。同时，它对光照条件要求不高，即便在阳光不太充足的室内，其光电转化率也不会受到太大影响。另外，它还有许多有趣用途。比如，用塑料替代玻璃“夹板”，就能制成可弯曲的柔性电池；将它做成显示器，就可一边发电，一边发光，实现能源自给自足。
太阳能是一种洁净和可持续产生的能源，发展太阳能科技可减少在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题。我国太阳能利用我国太阳能利用产业现状太阳能利用前景广阔中国蕴藏着丰富的太阳能资源。目前，我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国太阳能产业规模已位居世界第一。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。100kw太阳能光伏电站”在整个奥运会进程中起到了重要作用。今后太阳能将成为奥运会等一系列国际比赛的主要能源。可以这样说，我国的太阳能产业正在逐步壮大。
1.3.2我国太阳能利用产业前景京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策保障；西部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形、V族、族和磷化锌等。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜
电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池充电电池是充电次数有限的可充电电池充电电池的好处是经济,环保,电量足,适合大功率,长时间使用的电器现在一般充电次数能在1000次左右目前只有五种：镍镉镍氢锂离子铅蓄铁锂镍镉：有记忆效应容量小
镍氢：记忆效应小容量大
：无记忆效应身薄容量大，因电极材料不同，电动势为3V或3.6V不等。锂电池是目前相同体积中容量最大的电池，广泛用于数码相机、笔记本电脑、移动电话等电子产品中。
铅蓄：电动势约为2V，铅蓄电池可以反复充电使用，电解液是硫酸溶液，内阻很小，广泛用于汽车、摩托车中。
铁锂：电力更足，更安全，也更轻，未来电动车的主要发展方向。
第二章充电器总体方案的确定
2.1设计要求
设计制作一个电电电电电电直流-直流变换器（/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。第三章各模块电路设计
第一章已经提到过，本次设计选用了6V/2W的太阳能电池，和4.2V/100mA的锂电池。而检测电路是外部电路，无需设计。所以，需要设计的模块电路总共有六大部分，将在本章作逐一设计说明。
3.1退耦电路
3.1.1退藕电路的结构与功能
退耦电路在整体电路中用于隔离太阳能电池与DC/DC升压电路。退藕电路消除了DC/DC升压电路产生的高频脉冲对太阳能电池的影响，避免高频脉冲对太阳能电池的一条线路产生电池辐射，为了改善电池辐射，所以在此采用了π型滤波电路。
如图3.1所示，本设计所用退藕电路由电感L1电容C1，C2组成。
3.1.2滤波电路各元件数值确定
退耦电路是一个简单的电路，用于去除其电路左右干扰使电源输出电流趋于平稳。在太阳能收集充电电路中对此电路元件并不作严格要求，其电感取几十微法拉，电容取几百微法拉，所产生的误差可以忽略。所以本文中电感L1取1mH，电容C1取100μF，电容C2取470μF即可。
3.2DC/DC升压电路
3.2.1升压电路的结构与功能
由于太阳能电池受光照强度的影响，输出的低电压处于时刻变化之中，其变化范围大致在1V~6V之内，为了从尽可能低的从太阳能电池中获得电能给充电电池充电，则必须设计一个升压电路。通过升压电路，在太阳能电池电压不确定的情况下，都能输出为一个固定的电压值。目前，DC/DC升压集成器件中工作电压最低的约为3V，为了适应更低的工作电压环境，需要采用晶体管元件组合而成。
升压电路如图3.2所示。此电路由耦合变压器T1，三极管Q1、Q2，电阻R1、R2、R3、R4，电容C3，二极管D1、D2，和白色发光二极管D3组成。
其中，耦合变压器T1，三极管Q1，电阻R1、R2，电容C3，二极管D2，构成变压器反馈式振荡器。二极管D1是升压二极管。三极管Q2，电阻R3、R4，发光二极管D3构成输出限压电路。
3.2.2升压振荡器的结构
这里采用变压器反馈式振荡电路LC振荡器，振荡频率一般不能确定，主要受储能电感的电流上升率的影响。
振荡电路频率预设为f=30kHz，周期T≈30μs，利用电感的伏安关系式
（3-1）
再利用能量守恒定律，即太阳能电池板在半个周期里产生的能量以及，感应电动势半个周期里产生的能量与充电电池在一个周期里产生的能量相等。
（3-2）
（注：其中U为5.5V基准电压，U1为在计算中取的太阳能电池产生的3.0V电压电压，I1为锂电池的100mA额定电流）
将T=30μs，U1=3V，U=5.5V代入公式3.1、3.2，得
最后，得
I≈350mA，L≈120μH
由于电感L大小与其匝数n的平方存在正比例关系，所以先绕了25圈，测得电感量为30μH，根据计算式
解得，x为2500，即需要绕50圈。而耦合变压器的绕阻比为1:1，因此，初级电感和次级电感都要绕50圈。
已知Q2的电流放大系数β=300，根据图3.6所示，取经过R1的电流I1是1mA，Ib由两路电流汇总为2mA，
（无此规格电阻，用3kΩ替代）
因此，
振荡周期为T≈30μS，取R2阻值为4.7KΩ，利用公式T=R2C3,计算得，C3≈4700PF。
3.2.4DC/DC变换限压电路结构与功能
在DC/DC升压电路中，为了让三极管Q1截止，采用了如图3.7所示的限压电路。
电路由型号为C9011的三极管Q2，电阻R3、R4和导通电压为2.7V的白色发光二极管D3组成。这里采用2.7V的白色发光二极管D3是为后续充电控制电路作准备。当DC/DC升压电路的输出电压足够高时，由D3、电阻R3、R4在R4上分到的电压达到三极管Q2基极的导通电压（约为0.6V），使得三极管Q2导通，对三极管Q1的基极进行分流，降低三极管Q1的导通程度，直至将三极管Q1关闭，阻止输出电压的进一步上升，从而稳定升压电路的输出电压。或者太阳能电池的电压较高时，也同样关闭三极管Q1，升压电路不工作，由太阳能电池直接供电。
简而言之，限压电路可将输入三极管Q1基极的电压限制成低电平，导致其截止。
3.2.5DC/DC变换限压电路元件数值计算
如图3.8所示，Q2处三极管导通电压是Ube=0.6V，已知充电电路标准的电压为Uo=5.5V，D3导通电压为UD3=2.6V。R4电压为：
由于R3，R4两电阻串联，两电阻存在分压关系，所以可取R3=1KΩ。
解得
考虑三极管导通时基极需要一定电流，电阻R4取为3.3kΩ。
3.3升压输出滤波电路
3.3.1升压输出滤波电路电路结构及功能
升压电路将太阳能电池输出的低电压转换成高电平输出，难免会存在不稳定的高频脉冲，为了消除这些非直流成分对后面电路的影响，则需要连接一个升压输出滤波电路。
如图3.9所示，升压输出滤波电路由电感L3，电容C4，电容C5构成。
当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
电压比较器的功能如下所述：
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。
简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。
运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。
可用作电压比较器的芯片：所有的运算放大器。常见的有LM324LM358uA741TL081\2\3\4OP07OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。（3-3）
将U6，U7，U3代入公式3-3，得
（3-4）
如图3.13所示，当进入停止充电状态时候，基准电压还是5.5V，此时蓄电池电压为4.2V，所以蓄电池负极电位为5.5V-4.2V=1.3V。由于LM358的6端处电压为2.9V，R6，R7中间的电位与LM358的6端电位相同。此时电压比较器正相端电位高于反相端电位，所以7端输出高电平，而电压比较器7端输出电压变化是0V~4.0V。因此，取7端电压为4.0V。
U6=U-2.9V=2.6
U7=2.9V-1.3V=1.6V
U5=4.0V-2.9V=1.1V
利用基尔霍夫电压定律
（5-5）
将U6，U7，U3代入公式5-5，得
（5-6）
连列公式5-4，5-6，经过计算，得
R6≈20KΩ，R5≈24KΩ
（2）可以选择在充电状态下计算R8，R9，R10，R11四个阻值的大小。
如图3.14所示，已知三极管Q3的导通电压Ube=0.7V，放大增益β=300，红色发光二极管D4导通电压为U4=1.7V，充电状态下电压比较器7端输出4.0V高电平，即A点电位为高电平。
可取I9=1mA，I8=3mA，I10=3.5mA，因此
Ib=0.5mA.
Ue=0.3V，
Ub=Ube+Ue=0.7+0.3=1V，
U11=U10=Ub=1V
U9=UA-Ub-U4=4.0-1-1.7=1.3V，
U8=UA=3V
，（无此规格，用1.2KΩ代替，误差在可允许范围内）
kΩ
mA
，（无此规格，用3Ω电阻代替，误差小可忽略）
3.5终止充电指示电路
3.5.1终止充电指示电路结构与功能
充电电池充满电之后，设计一个电路给予终止充电的提示。
如图3.15所示，终止充电指示电路由LM358的另一个运算放大器、电容C7、电阻R12、R13、R15和红色放光二极管D5组成。其电阻R13处与充电电路LM358的7端相连，R12与蓄电池正极相连。
终止充电指示电路是一个最简型的方波振荡器。当充电电池充满电的时候3端电位高于2端，因此，1端输出高电平，D5导通点亮，同时，1端电压给C7充电，导致1端电位降低，降低到小于D5的导通电压1.7V后，D5灯灭。在C7充满电之后，再放电，使1端电位升高，升高至大于1.7V之后，D5重新点亮。如此反复循环，红色放光管就会一闪一闪，表示蓄电池已经充满。然而在充电电池未充满之前，3端输入的是低电平，D5是无法导通的。
3.5.2终止充电电路元件数值确定
终止充电电路对元件不做严格要求，只要实现其提示功能就可以了。因此，R13取47kΩ，R12取24kΩ，R15取15kΩ，C7取22μF。
3.6监测电路的定时供电电路
3.6.1监测电路的定时供电电路的结构与功能
监测电路的定时供电电路是给监测电路作间歇供电，使监测电路工作时间缩短，节省电能损耗。为了简化定时电路结构，降低定时电路自身功耗，采用多谐振荡器进行定时供电。
如图3.16所示，该定时供电电路由两个场效应管Q4、Q5和电阻R16、R17、R18、R19，电容C8、C9组成。
电路功能简述如下：
电路各元件构成深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生振荡
第四章电路图的综合
经过以上各个模块的设计之后，将各模块电路组合起来，再加上太阳能电池，锂电池就组合成整个太阳能收集充电器的总电路图。
4.1总电路图结构
可以利用protel软件来画电路图，其独特的电子电路绘画系统使电路设计简单便捷。
4.2总电路PCB图的绘制
在protel软件环境中，电路图绘制完成后，就可以绘制PCB图。需要注意的是元器件的位置是否正确，正负极是否有搞错。
第五章电路制作与测试
5.1电路的制作
实际制作电路板时，操作步骤分为变压器的绕制，和焊接电路板两个方面。
按照第三章计算的结果绕制变压器，首先，绕初级电感（变压器主绕组）：将铜线均匀的绕电感线圈一层，共50圈，然后用绝缘胶带将铜线全部封闭。其次，绕次级电感（变压器的副绕组）：将铜的再绕电感线圈一层，也是50圈。完成之后测量电感量为120μH，与计算结果一致。
焊接电路板的时候，要对照着电路图和PCB图进行焊接。焊接要注意，分清正负极，焊点要饱满，埋线要深，线头露出部分不得超出一毫米。
5.2电路的测试
完成电路板组装之后，可利用监测电路对电路板进行简单测试。
当太阳能电池输出电压为3.1V左右，在D1的输入端测得波形如图6.1所示，D1输入电压正好为5.5V。
测得当太阳能电池产生电压U1为3.1V，电流I1为260mA时，锂电池两端电压U2为4.5V，输入电流I2为130mA。
充电器的工作效率等于充电电池功率除以太阳能电池输出功率。
（5.1）
将测得数据代入5.1，经计算后工作效率为72.5%。
通过室外测试，如图6.2所示，太阳能收集充电器基本功能全部实现，与设计预想相差不大，完全可以给额定电压为4.2V的锂电池充电。
结论
在本次设计中涉及到较多电子信息专业知识，包括：电路基础、模拟电子、数字电子技术、高频电子线路等。通过大量的阅读文献资料和在陈庭勋老师的精心指导下，我对于退耦电路、DC/DC升压电路、充电电路、滤波电路等都有较多的认识，设计出了总体方案，并绘制出电路图，顺利的完成了理论研究与实物制作。
最后，经过测试之后，太阳能收集充电器实现了电路基本功能，能够给充电电池充电。但与预期相比，工作效率还有待提高，今后可以在提高工作效率方面进一步升入研究。
致谢
能够顺利的完成毕业设计，非常感谢我的毕业设计指导老师。陈庭勋老师在设计过程中给予了我无私的帮助，您的耐心严谨的治学态度及倾囊相授的教学准则使我受益匪浅。本次设计所涉及的专业课程知识基本学过，但有些仅是浅层次涉猎，并没有深入研究，在陈老师的耐心指导下，我查阅了大量资料，同时学到了许多以前没学过的专业知识，提高了自己的动手和独立思考能力，为自己今后在这方面的学习和发展提供了很多经验和帮助。
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附录元器件表
表1电路所用元件
元件名称/代号 符号 型号 规格 电阻 R1 3kΩ 电阻 R2 4.7kΩ 电阻 R3 1kΩ 电阻 R4 3.3kΩ 电阻 R5 24kΩ 电阻 R6 20kΩ 电阻 R7 100kΩ 电阻 R8 1kΩ 电阻 R9 1.2kΩ 电阻 R10 300Ω 电阻 R11 3Ω 电阻 R12 24kΩ 电阻 R13 47kΩ 电阻 R15 15kΩ 电阻 R16 1.2MΩ 电阻 R17 1.2MΩ 电阻 R18 68kΩ 电阻 R19 68kΩ 电容 C1 100μF 电容 C2 470μF 电容 C3 4700pF 电容 C4 0.1μF 电容 C5 100μF 电容 C7 22μF 电容 C8 10μF 电容 C9 100μF 电感 L1 1mH 电感 L2 1mH 变压器 T1 N=1:1,L=120μF 二极管 D1 IN4007 导通电压0.5V 二极管 D2 IN5819 导通电压0.5V LED（白色） D3 导通电压2.6V LED（红色） D4 导通电压1.7V LED（红色） D5 导通电压1.7V 三极管 Q1 C2500 三极管 Q2 C9011 三极管 Q3 C2500 运算放大器 IC LM358 太阳能电池 BT1 非晶硅薄膜
浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文
I
II
IV
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太阳能电池
图3.6升压振荡器电路
退耦电路
监测电路的
定时供电电路
DC/DC升压电路
升压输出
滤波电路
监测电路
恒流充
电电路
图2.1太阳能充电器框图
图4.2总电路PCB图
图4.1总电路图
终止充电
指示电路
图3.1退耦电路
图3.2升压电路
图3.3升压振荡器
图3.7DC/DC变换限压电路
T1
Q1
D3
R2
Ie
图3.11LM358结构图
Ib
I1
R1
C3
图3.9升压输出滤波电路
图3.10恒流充电电路
图3.4升压振荡器相关振荡电压波形
图3.13停止充电状态下
恒流恒压充电电路一部分
1.3V
4.0V
2.9V
5.5V
图3.12充电状态下恒
流恒压充电电路一部分
5.5V
2.9V
2.3V
0V
Ib
I10
I9
I8
4.0V
A
U9
U8
U10
U11
U4
Ie
图3.14充电状态下恒流恒压充电电路的一部分
U1
U5
B
图3.15终止充电指示电路
图3.16定时供电电路
图6.2充电实测
图6.1D3输入端波形
充电电池
图3.5电流变化曲线
I
i
t
图3.8DC/DC变换限压电路
e
c
b
R3
Q2
R4
D3
UA
uL
uB
uC
t
t
t
U0
U6
U6
U7
U7
U5
U5
U
U
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