1 绪论 1 绪论
1.1 本课题研究背景
随着电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济发展的新动力。
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。而且随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景[1]。
1.2本课题研究目的与意义
使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这样的问题，本课题研究了一种太阳能充电器，它可以很好的解决上述问题，给你的生活带来很大的方便。既节约了能量，又使用方便，是居家旅行的必备品。
通过本课题的研究，除了对所学知识的进一步巩固外，还可以把理论与实践结合起来，把知识转变成生产力，创造使用价值，给人们的生活带来方便。
1.3 本课题研究的总体思路
本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。充电过程中采用LED灯、数码管指示，系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。
文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的
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湖北科技学院学士学位论文 电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。
1.4 本课题研究的主要任务
结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于单片机控制的多功用太阳能手机充电器，设计的主要任务有：
硬件设计：电源模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，降压斩波电路模块设计，检测模块设计，A/D转换模块设计以及太阳能手机充电器电路原理图设计。
软件设计：电路启动初始化程序设计，按键采集程序设计，数码管显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。
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2 太阳能电池的研究和分析 2 太阳能电池的研究和分析
2.1 太阳能电池的原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子——空穴对。这样，光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
图2-1 掺入硼原子的硅晶体结构图（P型） 图2-2 掺入磷原子的硅晶体结构图（N型）
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管
类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面（图2-3）两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。图2-1所示为P型区结构图，图2-2所示为N型区结构图。
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湖北科技学院学士学位论文 图2-3 半导体P型与N型交界面
另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率[6]。
2.2 太阳能电池的等效电路
光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-4表示的等效电路来考虑。
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图2-4 理想状态的太阳能电池等效电路图
在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。太阳能
??qV?? I?IL?IO?exp??1? (2-1) ?nKT???? 当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压
V??kT?IL?ln??1 (2-2) ??q?IO? 其中I为电池单元输出电流；IL为PN结电流(A)；IO为二极管的反向饱和电流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(1.6×10-19K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.38×10J/K)；T是绝对温度(T=t+273K)；n为二极管指数。
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2 太阳能电池的研究和分析 但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSH来等效表示。此时的等效电路可根据图2-5来描述，其伏安特性可由（2-3）式给出。
图2-5 实际光伏电池等效电路
??q?V?RsI???V?RsI I?IL?IO?exp? (2-3) ?1???Rsh??nKT??此式叫做光伏电池的超越方程式。
2.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素
光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。光伏电池的几个重要技术：
① 短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 ② 开路电压VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
③ 最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 ④ 最大功率点电压(VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 ⑤ 最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率
⑥ 填充因子FF?Pm (2-4)
VOC?ISC⑦ 光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η，
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