家庭微光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)

隨著全球變暖趨勢(shì)持續(xù)，全球高溫不斷刷新紀(jì)錄，我國(guó)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(dòng)過(guò)程中，二氧化碳及其他溫室氣體進(jìn)入大氣的過(guò)程。隨著人類活動(dòng)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(lái)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(qiáng)，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(wèn)題。所以我們要通過(guò)節(jié)能實(shí)踐來(lái)降低碳排放。碳排放活動(dòng)與我們每個(gè)人、每個(gè)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。于是我設(shè)計(jì)并制作了一套成本低、體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)的家庭微光伏儲(chǔ)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(guò)太陽(yáng)能電池為儲(chǔ)能電池充電，儲(chǔ)能電池通過(guò)降壓給用電器充電。在給儲(chǔ)能電池充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池也可以直接給用電器充電。我們一起來(lái)看看它的工作原理和制作過(guò)程。

01

準(zhǔn)備材料

家庭微光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖 1 所示，采用全模塊化設(shè)計(jì)，不涉及程序編寫。太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能通過(guò) MPPT 充電模塊給磷酸鐵鋰電池組充電，充滿后自動(dòng)停止充電。庫(kù)侖計(jì)電池容量檢測(cè)儀用于計(jì)算和顯示電池組的容量，使用時(shí)需要打開電源開關(guān)，電池組或太陽(yáng)能電池板通過(guò)理想二極管給電池容量測(cè)試儀和快充模塊供電，當(dāng)太陽(yáng)能電池板電壓大于電池組電壓時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能供電；當(dāng)電池組電壓大于太陽(yáng)能電池板電壓時(shí)，通過(guò)電池組供電。輸出部分包含兩個(gè) 4 路 USB 快充模塊組成的 8 路USB 輸出，可以獨(dú)立給 8 個(gè)用電器充電。一個(gè)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(cè)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(guò)查看測(cè)試儀上的電能數(shù)值，便可了解通過(guò)微光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)節(jié)省了多少電能。本項(xiàng)目材料清單見表 1。

儲(chǔ)能電池

儲(chǔ)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(diǎn)見表 2。

太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷脑O(shè)備。太陽(yáng)能電池板通過(guò)吸收陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射能通過(guò)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(yáng)能電池板分為多晶硅、單晶硅、非晶硅等，它們的優(yōu)缺點(diǎn)見表 3。

家庭光伏儲(chǔ)能使用單晶硅太陽(yáng)能電池板比較合適。我選用的太陽(yáng)能電池板如圖 3 所示，它是功率為 100W 的單晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池板給鋰電池組充電，該模塊具有 MPPT太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤功能，全自動(dòng)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(dòng)停止，晚上休眠，白天自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的智能化管理，非常適合對(duì)單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。

庫(kù)侖計(jì)電池容量檢測(cè)儀

我們常規(guī)計(jì)算電池容量會(huì)通過(guò)測(cè)量電壓計(jì)算，但由于充放電過(guò)程中電流的變化，會(huì)引入較大的誤差。庫(kù)侖計(jì)是根據(jù)法拉第定律設(shè)計(jì)出用于測(cè)量電路中所通過(guò)電量，計(jì)量精準(zhǔn)。我使用的庫(kù)侖計(jì)電池容量檢測(cè)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(cè)容量為0~999Ah，可以精準(zhǔn)地顯示儲(chǔ)能電池的剩余容量。

理想二極管

二極管是我們?cè)陔娐分谐Ｓ玫脑骷哂袉蜗驅(qū)щ娦阅堋Ｓ捎诙O管存在正向壓降，流過(guò)大電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗。理想二極管的正向壓降很低，通過(guò)大電流時(shí)，功耗也非常低，適合應(yīng)用于大電流場(chǎng)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(cè)試儀

多功能電池測(cè)試儀由測(cè)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(cè)量電流。多功能電池測(cè)試儀可以測(cè)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(shí)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(gè)獨(dú)立的直流降壓快充電路組成，可同時(shí)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(dòng)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(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)，輸出過(guò)流、短路保護(hù)，以及整機(jī)過(guò)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(guò)程

1.準(zhǔn)備一塊 PVC 底板進(jìn)行系統(tǒng)搭建。

2.將兩個(gè) 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(cè)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(gè)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(kù)侖計(jì)電池容量檢測(cè)儀的連接線。

6.將庫(kù)侖計(jì)電池容量檢測(cè)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(gè)儲(chǔ)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(cè)試。

03

成品展示

將太陽(yáng)能電池板放置在陽(yáng)臺(tái)有充足陽(yáng)光照射的地方，工作中的太陽(yáng)能電池板如圖 10 所示，將儲(chǔ)能電池及充電系統(tǒng)放置在適合充電的地方，連接太陽(yáng)能電池板與充電系統(tǒng)。日常太陽(yáng)能電池板會(huì)通過(guò)MPPT 充電管理模塊對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行充電，充滿自動(dòng)停止。使用時(shí)打開電源開關(guān)，通過(guò) 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(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)為多種設(shè)備充電如圖 11 所示。

04

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)微光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的搭建，我對(duì)最初的想法進(jìn)行了驗(yàn)證。美中不足的是儲(chǔ)能電池及充電系統(tǒng)還沒(méi)有一件美麗的“衣服”，后續(xù)我會(huì)設(shè)計(jì)一款外殼，讓這個(gè)系統(tǒng)既美觀又實(shí)用。該系統(tǒng)特點(diǎn)是零碳排放、效率高，希望更多人、更多家庭節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。