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(zhuǎn)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(zhuǎn)自由度， 最后一種具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度。這兩個自由度跟蹤方向包括水平回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(cè)或右側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)的光控開關處于工作狀態(tài)，直流電機順時針轉(zhuǎn)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(jīng)追蹤到了太陽方位。同理，當陽光從右側(cè)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)跟蹤。同理，也可調(diào)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(diào)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(nèi)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(zhuǎn)換效率降低的問題。