新型太陽能手機充電寶的設計

引 言

新型太陽能手機充電寶的設計思路如下：

(1) 分開充電寶的發(fā)電部件和儲能部件，解決傳統(tǒng)太陽能手機充電寶工作時散熱不暢的問題；

(2) 發(fā)電部件帶有自動追蹤系統(tǒng)，可明顯提高發(fā)電效率， 增加發(fā)電量。

(3) 太陽電池組件按照手機殼樣式設計，既可以減少體積，又可以對手機起到保護作用；

(4) 底座既可以與太陽電池組件一起組裝成自動跟蹤系統(tǒng)，又可作為手機支架。

1 太陽電池組件的設計

太陽能手機充電寶的溫度升高來源于兩個方面，一是光照時電池板溫度升高；二是儲能電器元件的發(fā)熱導致溫度升高。這兩種原因的升溫都會減少充電寶的使用壽命，降低光電轉換效率。所以手機充電寶太陽電池組件采用兩塊并聯(lián)可拆卸的設計。

圖 1 中e 為兩個擋板，用來卡住手機充電寶的主體部件（含有蓄電池）。c 為兩塊電池板并聯(lián)以后引出的電源線插頭，d 為把電池板固定在底座上的插口。

2 儲能部件的設計

太陽能手機充電寶主體即儲能部件，用于儲存太陽電池板所發(fā)電量。充電寶主體三維線框如圖 2 所示。

圖 2 中n 為太陽能手機充電寶的電量顯示屏 ；o 為時間顯示屏 ；p 為連接太陽電池組件的插口，與 c 配合使用；q 為兩個 USB 接口，把充電寶電量輸出到手機 ；r 為外部電源對太陽能手機充電寶輸入電量的接口，可以匹配普通的手機電源線，這款太陽能手機充電寶既可以接收來自太陽電池板的輸入電量，又可以利用外部電源充電。

3 自動跟蹤系統(tǒng)的設計

3.1 自動跟蹤系統(tǒng)設計原理

目前常見的光伏自動跟蹤系統(tǒng)包括傾緯度角斜單軸跟蹤、水平單軸跟蹤和雙軸跟蹤，其中前兩種只有一個旋轉自由度， 最后一種具有兩個旋轉自由度。這兩個自由度跟蹤方向包括水平回轉和豎直俯仰兩個方向[1,2]。本文采用雙軸跟蹤的設計。

陽光遇到障礙物時會在障礙物后面形成陰影，根據(jù)該現(xiàn)象，利用光控開關 [3] 來控制電機的旋轉方向，從而跟蹤太陽的方向，進而改變方位角和高度角。設計如圖 3和 4所示。

圖 3 中，a 為內部含有光敏電阻組成的光控開關，b 為兩塊擋板，當陽光從b 的左側或右側照過來形成的陰影擋住了光敏電阻時光控開關開始工作。光控開關打開后，電機回路中有電流通過，電機工作帶動太陽電池板旋轉從而改變方位角。

3.2 底座設計

底座用來放置太陽電池組件，整個太陽追蹤系統(tǒng)就是以此為基礎而設計。底座的外觀設計如圖 3和圖 4所示。f為直流電機，g和圖 1中的d為同一直徑的插口，起到固定電池板的作用，h為一個長方形的卡扣，用來卡住圖 1中的擋板e， 同時也起到固定太陽電池組件的作用。i為固定電池組件的支架，可以沿著軸心自由旋轉以改變太陽電池組件的傾斜角，從而實現(xiàn)對太陽高度角的跟蹤，以箭頭的起點為軸心。j為電刷， 從光敏電阻通過電刷與充電寶的蓄電池形成回路，構成完整的光控開關電路。

3.3 太陽方位角跟蹤設計

通常來說，方位角是指朝向東西南北方向的角度。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，方位角以由南向東向北為負角度，正南為零度，由南向西向北為正角度。

圖 3和圖 4是太陽方位角跟蹤的外觀結構設計。b為兩個擋板，假設圖中左邊為b1，右邊為b2；a為兩個光敏電阻，左邊為a1，右邊為a2。當陽光從左邊照射過來時，光敏電阻 a1 處光線明亮，a2被 b2形成的陰影遮擋，處于暗處，此時右側的光控開關處于工作狀態(tài)，直流電機順時針轉動，帶動底座上的光伏組件自動追蹤太陽方位角，直到b2陰影不在遮擋光敏電阻a2，直流電機停止工作，相應的光伏組件也不再移動， 這時代表光伏組件已經追蹤到了太陽方位。同理，當陽光從右側照射過來，光敏電阻a1處于擋板b1的陰影中，此時直流電機逆時針旋轉帶動光伏組件向右追蹤太陽方位角。

3.4 太陽高度角的跟蹤設計

對于地球上的某個地點而言，太陽高度角是指太陽光的入射方向與地平面之間的夾角。

圖 5中，m為固定絲，可通過d和g把光伏電池組件與上文中的i組合固定成一體 ；k1和 k2是互相垂直的十字坐標； l是垂直于十字坐標的一個小圓柱體。當自動追蹤系統(tǒng)追蹤到太陽方位角而高度角出現(xiàn)偏差時，即 l的陰影落在 k2直線的上部或下部，只需手動增大或減小太陽電池組件的傾斜角直到 k2 直線上不存在l的陰影為止，這時就實現(xiàn)了太陽電池組件對太陽高度角的手動調節(jié)跟蹤。同理，也可調節(jié)太陽電池組件的方位角。

圖 5 太陽高度角跟蹤

4 使用展示

4.1 底座的多功能展示

底座可以作為手機支架，方便觀看視頻，如圖 6 所示。還可以根據(jù)視覺角度需要來調整手機放置的最佳傾斜角。當然也可以一邊在充電寶上充電一邊看視頻。底座也可以作為追蹤系統(tǒng)的整體支架。太陽追蹤系統(tǒng)功能組裝如圖 7 所示。

4.2 電池組件多功能展示

4.2.1 手機殼式的組裝

太陽電池組件與手機充電寶儲能裝置可以分離，像普通手機殼那樣組裝在一起，對手機充電寶起到一定的保護作用。其組裝情景在CAD 軟件環(huán)境下的三維效果如圖 8 所示。

圖 8 手機殼式組裝整體效果

在實際運用時，可以把手機殼似的太陽電池組件懸掛在雙肩背包和單肩包上使用，更加方便。

4.2.2 太陽追蹤系統(tǒng)的組裝展示

文中設計的太陽方位角自動跟蹤系統(tǒng)，通過組裝可以實現(xiàn)對太陽方位的追蹤。適用于陽光較好的天氣情況，可放置在室內的桌面上，野外旅游探險時可平整的放在地面上。

5 結 語

此款新型太陽能手機充電寶的設計具有以下創(chuàng)新點：

(1) 普通太陽能手機充電寶一般使用單塊電池組件，而本文采用兩塊，理論上可把充電量提高一倍；

(2) 設計太陽自動跟蹤系統(tǒng)，提高了太陽電池組件的發(fā)電效率，縮短了充電寶的充電時間；

(3) 太陽電池組件與儲能部分可分離，既避免了因為陽光直射充電寶而導致的使用壽命下降問題，又避免了因為儲能部分溫度升高，熱量傳給組件而導致轉換效率降低的問題。