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1、目 录摘 要11 概述11.1 太阳能光伏应用的概况21.2 太阳能电池板工作原理、分类及特性21.3 太阳能手机充电器原理42 无线充电技术62.1 无线充电技术的发展历史62.2 无线充电技术发展现状72.3 无线充电技术比较72.4 无线充电技术与太阳能电源的结合93 太阳能充电装置的应用104 太阳能充电器与无线充电技术的展望12结束语13参考文献13致谢13作者简介14广西师范学院2013届本科毕业论文太阳能手机充电器应用与前景 摘 要世界能源的短缺与环境污染问题的日益突出使得充分开发和利用太阳能成为世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。文中介绍了所设计的太阳能手机
2、充电器,与普通的手机充电器相比,它的特殊之处是能源的供应来自于太阳能电池板.把太阳能电池板置于一个有阳光的地方,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。结合当今的无线充电技术，会使人们给电子产品充电更加便捷。关键词 无线充电技术；太阳能应急手机充电器；单晶硅太阳能电池 Solar mobile phone charger applications and ProspectsAutomation LI Hong-JiAbstract:Shortage and environmental pollution problems h
3、ave become increasingly prominent world energy makes it an energy strategy of world sustainable development the full development and utilization of solar energy, photovoltaic power generation of the most attention.This paper introduces the design of solar mobile phone charger, mobile phone charger,
4、compared with the ordinary, which is characterized in that the energy supply from solar panels. Put the solar panel in a sunny location, which can provide a convenient solar charging for mobile phone charger this convenient almost. Can add power in any place, thus obtaining communication freedom.Key
5、 words: Wireless charging technology；Mobile phone emergency charger for solar energy；Monocrystalline silicon solar cell1 概述能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础。能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济的飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。其中，太阳能作为
6、一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染,使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题。目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域。而消费类产品的应用实例非常少，目前还没有真正有效的利用太阳能充电的手机电池.因此太阳能作为一种没有任何污染的易取的绿色能源。若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义和广阔的前景。 1.1 太阳能光伏应用的概况可以说在人类的历史上使用地最多的能源应该是太阳能。而最近一个世纪以来，特别是进入21世纪以后，人们更加注重将太阳能转化成可以
7、存储的能量，来提供用于特定需要的能量，如太阳能热水器的应用，太阳能发电，太阳能路灯，太阳能充电等等。进入21世纪后太阳能光伏产业更是蓬勃发展。据Dataquest的统计资料显示,目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。1998年,全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦,1999年达2850兆瓦。2000年,全球有将近4600家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。1目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划,而日
8、本推出的是阳光计划。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，尤其可以分散在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是，从长远来看，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。1.2 太阳能电池板工作原理、分类及特性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
9、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原理直接将光能转化为电能的装置。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
10、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。2这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。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。目前市场上太阳能电池板种类繁多，按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形
11、。根据太阳能电池板所用材料的不同可分为: 硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓III-V化合物,硫化镉,铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池；功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，在应用中居主导地位。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，其电池转化效率超过20%左右。而多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，无较大效率衰退问题且其成本远低于单晶硅电池，效率又高于非晶硅薄膜电池，其电池效率达12%左右。虽然非晶硅薄膜太阳能电池与结
12、晶硅相比转换效率偏底, 但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展。由于太阳能光伏电池工作原理是，接受太阳光能转化为电能的过程，因此受到外界影响有日照强度、电池温度等，而这些因素都会影响太阳能电池的特性。而这些特性有以下关系：太阳能电池的短路电流与日照强度成正比。太阳能电池的输出随着电池片表面的温度上升而下降，随着季节温度的变化而变化。3同一日照强度下，冬天的输出比夏天高。通过这些年的科技进步，人们对太阳能充电不断优化：提高输出电源的稳定性，有效地将太阳能高效的转化，使太阳能更充分融入人们的日常生活中。1.3 太阳能手机充电器原理太阳能手机充电器的原理的将太阳能的能量转换为电
13、能存储在太阳能手机充电器的内置电池里，在需要对手机充电时，太阳能手机充电器里的蓄电池将电能输出对手机充电。蓄电池可以是任何形式的蓄电装置，一般由太阳能光电池，蓄电池，调压元件三个部分组成。太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控制系统。图1 一般充电电路结构图2 智能充电电路结构图3 有线太阳
14、能充电电源无线充电技术工作方式：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式。磁场共振基本原理：由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。图4 磁场共振原理图无线电波式充电基本原理：类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，如下图。其接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。利用此技术Powercast公司研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。图5 无线电波式充电式电磁感应式充电基本原理：初级线圈通以一定频率的交流
15、电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。类似于现在用得交流/直流变压器的原理。图6 电磁感应式充电2 无线充电技术2.1 无线充电技术的发展历史4（1）19世纪30年代，迈克尔法拉第就发现，周围磁场的变化将在电线中产生电流。（2）19世纪90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目中的一名助手尼古拉特斯拉就曾提出无线电力传输的构想。（3）香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出“无线电池充电平台”，需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。（4）2007年，美国麻省理工学院的马林索尔贾希克（Marin Soljacic）等人在无线传输电力方面
16、取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。（5）最近，有几家公司已经生产出无线充电的手机、mp3、便携式电脑。2.2 无线充电技术发展现状无线充电技术是近几年才开始发展起来的一个新兴行业，未来有着广阔的发展空间。无线充电联盟（Wireless Power Consortium）成立于2008年12月17日，其使命是为了创造和促进市场广泛采用与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi。以安全性，能源及充电效率为出发点，无线充电联盟宣布将近距离电磁感应技术作为低功耗便携式电子设备充电的国际标准。2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟在
17、北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。无线充电技术采用统一的工业标准，未来几年，手提电话、PMP/MP3播放器、数字照相机、手提电脑等产品都可以使用全新的低能耗、高兼容的相同的无线充电器戴尔是最早推出支持无线充电产品的厂商，它早在2009年就推出了配备了无线充电功能模块的Latitude Z600，成为全球首款支持无线充电的笔记本电脑：通过无线坞站的扩充，可以为这款机器提供60W功率的供电5小时左右即可将这款产品的电池充满。诺基亚的新款WindowsPhone8(WP8)手机支持无线充电功能，用户只要将手机放在一个支持Qi无线充电标准的
18、插座上就能完成充电。iPhone5尽管采用更小的接口，但仍然需要通过电线才能充电。三星在发布旗舰手机GalaxyS3前也曾表示要使用该技术。不过，目前是以套件的形式提供另外，英特尔和IDT(Integrated DeviceTechnology)日前宣布合作，为英特尔的无线充电技术共同开发集成发射器和接收器芯片。目前全球最主要的无线充电标准是Qi标准，由全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟(Wireless Power Consortium)推出。该联盟成员包括Verizon、NTT Docomo、诺基亚、三星、德州仪器、华为等公司，覆盖无线充电解决方案各生产环节。Qi采用了目前最
19、为主流的电磁感应技术，目的是为所有电子厂商提供统一的通用标准。2.3 无线充电技术比较表1 无线充电技术类型5 无线充电技术类型电磁感应式电磁感应利用感应电压来充电无线电波收集环境电磁波产生电流电磁共振利用电磁波共振效应原理初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，实现能量交换。将环境电磁波转换为电流，透过第二层电路传输电流。示意图 传输功率 数瓦数百瓦大于100mw数kw传输距离小于1CM大于10M34M优点 适合短距离接触充电 转换效率高 适合短距离低功率充电 无线电波收集，
20、可以随时随地充电 适合远距离大功率充电 转换效率适中（50%）挑战 目前需限定充电区域，才能精确充电 接收需加装辨识，否则对任意产品充电，会产生大量热。 转换效率差 充电时间较长 需设定较大频率范围，来收集足够电力来源 尚无法大规模产品化 保证所需频率 安全与健康顾虑解决方案供应商powermatpowercast-通过表格对比，目前技术上的难点存在：电磁辐射、电能转换功率低、易遭到干扰、充电系统体积过大、成本过高。 一般来说，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且目前在手机无线充电上有广泛实际应用；磁场共振方式，则是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于充电的一种方式；电磁波送
21、电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”。这种技术能应用的话，可以从根本上解决电力问题。目前市面上的手机充电器类型多采用电磁感应的充电方式。这种方式送电距离比较短，效率较高。但两个线圈的横向偏差较大传输效率就会明显下降，所以只能实现传输距离为1cm左右，对于手机的充电距离而言，这是足够的了。对于线圈发热问题，现在科学家不断推出隔热新材料，相信不久的将来，这项技术会越来越成熟。将成为无线充电的主流。2.4 无线充电技术与太阳能电源的结合随着全球性日益严重的资源短缺和环境污染，太阳能的发展成为每个国家的重点建设项目.不久的将来，太阳能将作为常规的供电电源。届时，每家每户的楼房屋顶上
22、都安装有太阳能电池板，通过有线或者无线发射电能给人们的电子产品充电。不过对于无线传能的技术发展上，目前技术还没有成熟，还不能远距离稳定实现类似于利用“wi-fi”给手机充电的技术。从充电效率和地点来选择无线充电的方式，目前，利用电磁感应和电磁共振原理制成的无线充电器，效率最高。但是充电距离较短，需“捆绑”充电。即将电子设备放置在充电盘上或置于充电箱子中。这时，倘若人们在家或在办公的空闲时，可以使用电磁感应或电磁共振制成的无线充电器给设备充电。倘若能实现电磁波送电技术，那么我们就能从根本上解决电力问题。能够实现远距离高效充电。只需给我们手机的充电接收装置进行优化设计，将太阳能发出的电量转化为相应
23、的电磁波发射出去，再由手机特殊的接收装置，将电磁波转化为高效的电力，实现无线充电。就能让我们的手机无时无刻不断电，不管走在哪里，只要有公共的电力发射点，我们就能轻松的给手机充电。让充电真正实现无线，让人们摆脱电线的束缚。图7 太阳能电池板供电屋图8 电磁感应式充电3 太阳能充电装置的应用今天，全球有16亿人未享受到电力供应，这其中有30%的人有移动电话，也就是说，全球有近5亿移动电话用户生活在没有电力供应的地区。目前，全球有40亿手机用户，其中八分之一没能享受到电力供应。未来，会有更多处于金字塔底部的人们(不发达、边远和农村地区、低收入、贫困和弱势人群)使用手机，而这些人绝大部分都处于无法接入
24、电力的地区。有资料显示，这些地区有16亿人还没用上电；另有10亿人无法获得全天的电力供应。这些人居住在太阳充足的气候区域，太阳能移动充电设备集成于一身的太阳能手机在这些区域具有广阔的市场空间。没有电力供应，从总体上看，已影响到不发达、边远和农村地区、低收入、贫困和弱势等群体的移动电话普及。对于用户来说，无法获得可靠的充电解决方案，移动电话的正常使用会大打折扣，因为手机无电意味着无法通信。对于移动运营商来说，用户无法使用手机，则意味收入将缩水。通过太阳能电池给手机供电这种创新看起来并不是一个多么超乎想象的创意，但是对于亚非地区尚未接入电力供应的或电力资费非常昂贵的区域中的众多潜在用户来讲，这一产
25、品却具有革命性的意义。通过这种几乎全天候的手机设备，农民可以先去查看所有农作物的价格，然后再决定去播种什么。更重要的是，他们基本上不需担心这个手机在野外使用时没电。 对于没有获得电力供应的手机用户和人群，太阳能移动电话的推出，解决了他们因没有电力供应、电力供应不可靠和昂贵等因素无法使用手机的问题。对移动通信产业来说，太阳能手机带来的是革命性的改变。太阳能手机能带来的好处主要有以下几方面：首先，对于普通用户而言，太阳能手机的出现给他们带来了太多的好处：一、可满足用户要持续的通信需求，特别是对至今还没有接入电力供应的用户；二、手机价格便宜，用户用得起，比如：在肯尼亚推出的太阳能手机价格只有39美元
26、；三、使用太阳能手机，有助于减少对环境的污染；四、太阳能手机既可用于农村和边远地区，也可以在城市地区使用；五、用户无需担心充电和充电的成本，还可节约电话的维护成本；六、太阳能手机不仅可用于发展中国家，特别是农村、边远地区和无电地区，还可用作为一种环境友好的产品在发达国家广泛应用。而这些都是现有的传统手机无法能够达到的，无法对这些缺电地区提供更为方便快捷的充电方案。再有，对移动运营商来说，太阳能手机给他们带来的好处如下：一、这个市场潜力很大，估计可达到23亿美元；二、如果完善部署离网高效充电解决方案，运营商的ARPU值将至少增加1014%；在巴布亚新几内亚，太阳能手机的用户每天使用移动电话的时间
27、增加了0.51.5分钟。在一些发展中国家，太阳能手机已开始进入市场，这些有代表性的国家包括：巴布亚新几内亚、马达加斯加和肯尼亚。巴布亚新几内亚的Digicel集团在许多市场为用户提供低成本、免费的便携太阳能充电器。最近，Digicel集团又在巴布亚新几内亚推出了Coral200太阳能手机，这是世界上第一个低成本的太阳能手机，实现了太阳能充电器与手机的集成。Digicel集团在技术上与Intivation、中兴通讯开展了合作。这种手机的推出，将让全球数以百万计的用户享受到更方便、环境更友好的手机。Digicel在许多新兴市场提供移动业务，由于使用太阳能手机，Digicel获利不少，它的市场领先优
28、势也得以保持。ToughStuff公司的经营主要集中在马达加斯加，现在它的经营范围已延伸到肯尼亚、乌干达和卢旺达。现在，ToughStuff已生产了一种太阳能产品，面向发展中国家的低收入家庭。使用太阳能移动充电器，可使移动电话每天的使用时间增加0.51.5分钟。在发展中国家，移动电话每天的使用时间一般是几分钟，因此，用户实际的使用时间实现了大幅度增加。4 太阳能充电器与无线充电技术的展望能源危机的出现和环境污染的日益恶化，使太阳能作为清洁干净的可再生能源得到世界各国的高度重视。随着太阳能技术的发展，近年来超薄、超轻的光伏电池在便携式电子设备中的应用也得到了很大发展。太阳能手机锂电池充电器摆脱了
29、传统充电电源的束缚，节能与环保，具有良好的发展前景。随着无线充电技术的日益成熟，太阳能无线充电应用将会更加方便人们的充电需求。对于未来，人们可以将太阳能作为全新的能源来使用，特别是亚非地区尚未接入电力供应的或电力资费非常昂贵的区域中的用户，对于他们来说，这是革命性的改变。加上无线充电技术，只要建立了公共的电力无线发射点，就能轻松实现对电子产品乃至汽车等电器设备的用电需求。 对于太阳能充电器不管是对手机充电还是其他设备的充电，都具有很广大的前景。手机充电器的组成大致分为四个部分，第一部分为太阳能电池板，第二部分为恒压恒流控制部分，第三部分为智能调控部分，第四部分锂电池。太阳能电池板作为整个主板的
30、关键部分电源部分。必须要有高效稳定的输入和输出，而目前的技术而言，由于光伏电池的输出功率受光照、温度等环境因素的影响，效率只达到20%。太阳能充电器既要与使用交流市电的充电器一样对锂离子电池进行安全快速充电，必须解决以下问题：如何将环境温度、光照强度以及其他外界条件的变化融入充电控制方法；充电控制器的最佳拓扑结构是什么；如何实现光伏电池输出功率的最大化。还有在太阳能电池板的高效利用方面，还需有一段时间的发展研究。但是可以肯定得是，在不久的将来，太阳能手机充电器将会普遍运用于人们的生活中。对于无线充电技术的应用，在未来的数码产品乃至汽车的交通工具的应用上。都是具有革命性的。电磁波送电方式的“太空
31、太阳能发电技术”应用，可以从根本上解决电力问题。利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。无线供电，使得电动汽车可以提供这么一种可能：一辆电动汽车从出厂到它报废为止，终生不用你去理会电力补充问题电动汽车，在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶技术的支持下，完全可以颠覆现在的交通概念。想N 年以后，在高速公路上，车在自动行驶，而汽车、电脑、手机需要的所有电力都来自从路面下铺装的供电系统、或者来自汽车上的接收装置接收的电磁波。6随着电动汽车的发展无线充电技术必定有着广
32、阔的利用空间。而这些的应用，首先会在手机的小功率的电子设备上展现。但是要实现完全的无线，还需解决目前技术上的难点：小型、高效率化、和实现远距离送电。除此还得考虑会不会对人体造成伤害，成本太高等诸多问题。相信未来的技术发展，能够一一为人们解决这些问题，实现真正的无线供电。任何一种给人们带来方便的技术，总是会受到人们的欢迎。无线充电技术的到来，让智能手机摆脱了最后一条线缆的羁跘，我们能预见无线充电将会成为主流的应用方式，传统的充电线缆则成为必要的的补充。结束语经过两个月的辛苦写作，收集了关于太阳能为手机充电的相关资料。阐述了太阳能在手机充电上的应用与前景。分析了当前科技，运用太阳能的最新情况与利用
33、太阳能充电的形式。虽然目前在高效运用太阳能、合理控制成本方面和普及方面，有一定得制约。但是作为新能源可持续能源，对未来人类能源供应是充满无限潜力的。参考文献1 刘靖，李咸浩.光伏技术应用，化学工业出版社，2011（07）2 杨德仁太阳能电池材料M北京：化学工业出版社。20073 钱伯章，太阳能技术与应用，科技出版社，20054 姜立中.无线充电实验/无线供电的现实离我们有多远/无线电杂志.北京:人民邮电出版社,2008.045 李建华,陈水妹.手机无线充电系统设计J. 咸宁学院学报. 2011(12)6 无线充电技术展望J. 硅谷. 2012(03)致谢本课题在选题及研究过程中得到李平老师和曾立老师的悉心指导。老师们多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拔、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅受我以文，而且教我做人，对老师的感激之情是无法用语言来表达的。在这四年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对他们表示衷心感谢。再有就是要谢谢我的父母，没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！作者简介姓名：性别：男出生年月：年 月民族：汉15