家庭微光伏儲能系統(tǒng)

隨著全球變暖趨勢持續(xù)，全球高溫不斷刷新紀(jì)錄，我國極端天氣氣候事件頻發(fā)，多地遭遇創(chuàng)紀(jì)錄的高溫和暴雨。氣候變化的影響廣泛而深遠(yuǎn)，復(fù)合型氣候變化加劇。

碳排放的增加是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因之一。碳排放是指在人類活動過程中，二氧化碳及其他溫室氣體進(jìn)入大氣的過程。隨著人類活動的不斷增加，特別是工業(yè)化進(jìn)程的加快和能源消耗的劇增，大量的二氧化碳進(jìn)入大氣中，引發(fā)了溫室氣體的濃度上升。這些氣體主要來源于化石燃料（如煤、石油和天然氣）的燃燒。它們像一層厚厚的毯子包裹著地球，導(dǎo)致溫室效應(yīng)增強，進(jìn)而引發(fā)全球變暖、極端氣候事件頻發(fā)等一系列環(huán)境問題。所以我們要通過節(jié)能實踐來降低碳排放。碳排放活動與我們每個人、每個家庭息息相關(guān)。

家庭使用新能源給用電器充電，減少電力消耗，也能實現(xiàn)節(jié)能減排。于是我設(shè)計并制作了一套成本低、體積小、穩(wěn)定性強的家庭微光伏儲能系統(tǒng)，它可以給日常生活中所有 USB 接口的用電器充電。該系統(tǒng)通過太陽能電池為儲能電池充電，儲能電池通過降壓給用電器充電。在給儲能電池充電過程中，太陽能電池也可以直接給用電器充電。我們一起來看看它的工作原理和制作過程。

01

準(zhǔn)備材料

家庭微光伏儲能系統(tǒng)原理如圖 1 所示，采用全模塊化設(shè)計，不涉及程序編寫。太陽能電池板產(chǎn)生的電能通過 MPPT 充電模塊給磷酸鐵鋰電池組充電，充滿后自動停止充電。庫侖計電池容量檢測儀用于計算和顯示電池組的容量，使用時需要打開電源開關(guān)，電池組或太陽能電池板通過理想二極管給電池容量測試儀和快充模塊供電，當(dāng)太陽能電池板電壓大于電池組電壓時，通過太陽能供電；當(dāng)電池組電壓大于太陽能電池板電壓時，通過電池組供電。輸出部分包含兩個 4 路 USB 快充模塊組成的 8 路USB 輸出，可以獨立給 8 個用電器充電。一個全協(xié)議 100W 快充模塊可以給需要大功率快充的用電器充電。多功能電池測試儀用于監(jiān)控電池的狀態(tài)及輸出的電流、功率、電能等信息。通過查看測試儀上的電能數(shù)值，便可了解通過微光伏儲能系統(tǒng)節(jié)省了多少電能。本項目材料清單見表 1。

儲能電池

儲能電池可以分為鉛酸電池、鎳系電池、鋰系電池、液流電池、鈉硫電池等多種類型。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為主流。目前常用的鋰電池有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池（見圖 2）、鈷酸鋰電池等，它們的優(yōu)缺點見表 2。

太陽能電池板

太陽能電池板是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷脑O(shè)備。太陽能電池板通過吸收陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換為電能。常用的太陽能電池板分為多晶硅、單晶硅、非晶硅等，它們的優(yōu)缺點見表 3。

家庭光伏儲能使用單晶硅太陽能電池板比較合適。我選用的太陽能電池板如圖 3 所示，它是功率為 100W 的單晶硅太陽能電池板，標(biāo)稱開路電壓為 21.4V，短路電流為 6.2A，最大工作電壓為 18.2V，最大工作電流為 5.99A，轉(zhuǎn)化效率為22%。其大小為 830mm×670mm×30mm，具有高轉(zhuǎn)換率、高輸出效率的發(fā)電性能。

MPPT充電管理模塊

MPPT 充電管理模塊如圖 4 所示，它主要負(fù)責(zé)太陽能電池板給鋰電池組充電，該模塊具有 MPPT太陽能最大功率點跟蹤功能，全自動智能化充電管理。輸入電壓為 DC 8~28V，輸出電壓為 DC5~26V 可調(diào)，輸出電流為 5A。它具有智能涓流、恒流、恒壓充電管理等功能，充滿電自動停止，晚上休眠，白天自動啟動，實現(xiàn)了無人值守的智能化管理，非常適合對單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。

庫侖計電池容量檢測儀

我們常規(guī)計算電池容量會通過測量電壓計算，但由于充放電過程中電流的變化，會引入較大的誤差。庫侖計是根據(jù)法拉第定律設(shè)計出用于測量電路中所通過電量，計量精準(zhǔn)。我使用的庫侖計電池容量檢測儀如圖 5 所示，它內(nèi)置了 10A 的電流采樣電阻，支持電壓為 DC 8~120V，支持檢測容量為0~999Ah，可以精準(zhǔn)地顯示儲能電池的剩余容量。

理想二極管

二極管是我們在電路中常用的元器件，它具有單向?qū)щ娦阅堋Ｓ捎诙O管存在正向壓降，流過大電流時會產(chǎn)生較大的功率損耗。理想二極管的正向壓降很低，通過大電流時，功耗也非常低，適合應(yīng)用于大電流場合。我使用的理想二極管如圖 6 所示，它是使用 XL71610 專用芯片模擬理想二極管整流器，采用了 3.3mΩ 低內(nèi)阻 MOS 管，在 10A 電流下，壓降僅為 50mV，發(fā)熱量很低。

多功能電池測試儀

多功能電池測試儀由測試儀表頭和分流器（見圖 7）組成。表頭負(fù)責(zé)采集和顯示數(shù)據(jù)，分流器相當(dāng)于采樣電阻，用于測量電流。多功能電池測試儀可以測量并顯示電池的電壓、工作電流、輸出功率、電池的容量、使用時間等信息，方便查看電池及負(fù)載的使用情況。

4路USB快充模塊

4 路 USB 快充模塊如圖 8 所示，由 4 個獨立的直流降壓快充電路組成，可同時支持 4 路快充。輸入電壓為 6~32V，輸出電壓默認(rèn)為 5V，觸發(fā)快充后在3~12V 范圍內(nèi)自動調(diào)整。每路 USB 輸出最大功率為24W，4 路模塊最大功率為 96W。具有輸入過壓、欠壓、過流保護(hù)，輸出過流、短路保護(hù)，以及整機(jī)過溫保護(hù)的功能。它支持部分快充協(xié)議，如DCP、FCP/SCP、AFC、SFCP、QC2.0/QC3.0、MTKPE1.1/2.0，適用于日常大部分小功率 USB 用電器。

全協(xié)議快充模塊

全 協(xié) 議 快 充 模 塊 如 圖 9 所 示， 它 內(nèi) 置 了SW2303 快充協(xié)議芯片和 PL5501 升降壓芯片，非常適合電池供電的快充。支持 PD、QC、FCP、高低壓 SCP、AFC、SCP、PE 等主流快充協(xié)議，最大輸出功率為 100W，支持大部分手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品。

02

制作過程

1.準(zhǔn)備一塊 PVC 底板進(jìn)行系統(tǒng)搭建。

2.將兩個 4 路 USB 快充模塊用銅柱連接，這樣可以有 8 路 USB 快充輸出接口。

3.將鋰電池、MPPT 充電管理模塊、多功能電池測試儀、4 路 USB 快充模塊、全協(xié)議快充模塊等放置在 PVC 底板上，尋找合適的位置固定各個模塊。

4.焊接理想二極管連接線，模塊及連接處用熱縮管包裹進(jìn)行絕緣。

5.焊接電池和庫侖計電池容量檢測儀的連接線。

6.將庫侖計電池容量檢測儀固定在電池組上，并連接電池組。

7.按照系統(tǒng)電路連接整個儲能充電系統(tǒng)。

8.使用電池組供電給兩部手機(jī)進(jìn)行充電測試。

03

成品展示

將太陽能電池板放置在陽臺有充足陽光照射的地方，工作中的太陽能電池板如圖 10 所示，將儲能電池及充電系統(tǒng)放置在適合充電的地方，連接太陽能電池板與充電系統(tǒng)。日常太陽能電池板會通過MPPT 充電管理模塊對儲能電池組進(jìn)行充電，充滿自動停止。使用時打開電源開關(guān)，通過 USB 數(shù)據(jù)線連接 USB 充電模塊和設(shè)備，即可進(jìn)行充電，家庭微光伏儲能系統(tǒng)同時為多種設(shè)備充電如圖 11 所示。

04

結(jié)語

通過微光伏儲能系統(tǒng)的搭建，我對最初的想法進(jìn)行了驗證。美中不足的是儲能電池及充電系統(tǒng)還沒有一件美麗的“衣服”，后續(xù)我會設(shè)計一款外殼，讓這個系統(tǒng)既美觀又實用。該系統(tǒng)特點是零碳排放、效率高，希望更多人、更多家庭節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色發(fā)展。