CN102890886A

CN102890886A - 一种光能捕获与存储微能源演示系统及制作方法

Info

Publication number: CN102890886A
Application number: CN2012102953883A
Authority: CN
Inventors: 周健; 周天之; 孙晓玮; 周舟; 周建华; 李红飞
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: CN102890886B

Abstract

本发明公开了一种光能捕获与存储微能源演示系统及制作方法。该系统包括4片串联的太阳电池（每片4.2V），两块串联的聚合物锂电池，太阳电能捕获与存储电路单元，该单元包括光敏传感器，LED灯，电控单元，在有光照条件下，太阳电池捕获光能储存于锂电池中，无光照时，锂电池对负载供电。LED灯用于监测光线充裕度和充电是否正常。本发明的主要特征在于：1、智能型，采用最大功率点跟踪技术，保证输出电压稳定性；2、良好的演示效果，采用光敏传感器实时感知周围光强，并通过LED的亮度来直观反应太阳电池对锂电池充电的状态；3、重量轻，高重量比能量密度（32mWh/g）。该系统在中小学能源技术知识教学教具方面具有较广阔的应用前景。

Description

一种光能捕获与存储微能源演示系统及制作方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种光能捕获与存储微能源演示系统及制作方法。

背景技术

能源捕获与储存演示系统在广大教学演示中有着广阔的应用市场，随着低功率电子技术的发展，光能捕获与储存演示系统正朝着微型化、智能化、高演示性方向发展。现有可再生能源演示系统以氢能-燃料电池为主流，主要演示氢能源-电能转换的化学发电原理，不能体现光电转换的物理发电演示效果。这类演示系统的最大的缺点是供能不可持续性，当氢气用完后，燃料电池将停止工作，必须更换新的气源才可以继续工作。这种不可持续的供能模式不能达到可再生能源可持续供电的演示效果，因此有必要采用新的供能结构和模式为系统提供能源，同时保证系统能够不间断供电。

基于上述考虑，申请人提出采用太阳电池供电，聚合物锂电池储能的能量获得与转换模式，采用最大功率点跟踪、低电流充电自动切换和重新充电自动开启功能提高系统的智能化效果，采用LED等接入系统提高系统的演示效果。本发明提供的演示系统由一款充电控制单元、4块小型电池太阳能板和2块锂电池组成，具有微型化，演示性和低功耗的特点。在太阳光充足时，太阳能电池通过光照产生电能，产生的电通到LT3652对聚合物锂电池充电，在光强不足时，聚合物锂电池为负载提供电能，保持负载不间断供电。

目前，采用太阳电池供电，锂离子储能，采用最大功率点跟踪技术，借助LED灯增强演示效果的微型化演示系统尚未见报道。国外专利查询方面，查询到日本Matsuyama;Hirotsugu的专利“Battery pack and charge circuittherefore”(Tokyo,JP，2002年，US6,384,570)，主要是发明了一种光伏对电池和便携式终端充电装置，未提及对充电过程的控制，也未介绍电路制作方法。

在国家知识产权网（中外专利数据库）上，搜索“光能捕获、存储、微能源演示”等关键词，发现专利0项。

查阅“演示系统”关键词，发现江苏华源氢能科技发展公司“燃料电池教学演示系统”。未见光能捕获与存储微能源演示系统报道和专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光能捕获与存储微能源演示系统制作方法。所述的演示系统包括四片串联的太阳电池（每片4.2V），两块串联的聚合物锂电池，太阳电能捕获与存储电路单元，所述的电路单元包括光敏传感器，LED灯，电控单元，通过电控单元将太阳电池捕获的光电能储存到锂电池中，在无光照条件下，通过锂电池对负载供电。LED灯是用于监测光线充裕度和充电是否正常，光线最强烈时，LED亮度随光强减弱而减弱。制作过程包括设计电路、制版、元器件焊接、电池连接、调试。该系统的连接方式：1、4块太阳电池互相串联，形成太阳电池组，太阳电池组与锂电池和控制电路相连接，接收控制电路的电信号；2块聚合物锂电池串联，与太阳电池相连，接收太阳电池电能，接线柱与太阳电池、锂电池和控制电路相连，便于测量太阳电池、锂电池和控制电路的电压、电流。如图1所示，四块太阳电池板串联，电压为16.8V，并联10uF电容，串联CMSH1-40MA镇流二极管，并联电阻（530KΩ，100KΩ），连接LT3652芯片。LT3652SW端连接10uH电感，Boost端连接1uF电容，再与镇流二极管反向连接，与地连接。BAT端与542K和10uF电容并联，且与聚合物锂电池连接。NTC端与10K电阻连接，10K电阻另一端接地。VFB与459K电阻连接，该电阻另一端接地。TIMER端接地，FAULT端，CHRG端空接。Vin和SHDN端相连后与图1中左边的CMSH1-40MA输出端相连。本发明的主要特征在于：1、智能型，采用最大功率点跟踪技术，保证输出电压稳定性；2、良好的演示效果，采用光敏传感器实时感知周围光强，并通过LED的亮度来直观反映太阳电池对锂电池充电的状态；3、重量轻，高重量比能量密度（32mWh/g）。该系统在中小学能源技术知识教学教具方面具有较广阔的应用前景。

本发明公开了一种光能捕获与存储微能源演示系统制作方法，其特征在于包括以下步骤：1）、依照图1原理图，设计出印刷电路板（PCB）版图（图2表示正面，图3表示反面），PCB图中R表示电阻、C表示电容，J表示接线柱，D表示二极管，L表示引线、U表示集成电路单元；2）、制版、焊接电阻、电容、电感、二极管、光敏传感器、LED灯、Linear公司的LT3652集成电路模块，形成演示电路主体；3）、将演示电路主体与4块串联的天合光能科技有限公司生产的4.2V晶硅太阳电池（效率16％）连接，将电路主体与两块Nokia公司的聚合物锂电池（860mAh，3.2Wh,3.7V）连接。为了便于现场测量演示，将太阳电池、聚合物锂电池电压端引出，连接到接线柱组；4）、检测与演示。将连接好的电路（图4）发到阳光下，发现黄色LED被点亮，表明太阳电池开始对锂电池充电。

本发明公开了一种光能捕获与存储微能源演示系统，其特征在于：

（1），采用晶硅电池捕获，通过LT3652电控单元对聚合物锂电池储能；所述LT3652电控单元输入电压在4.95－32V之间可变，提供恒流恒压充电，最大充电电流可以通过外部编程达到2A，充电单元具有3.3V浮栅反馈参考电压，电阻浮栅可编程电压达到14.4V，与锂电池、聚合物锂电池、NdCr、NiM/H、LiFePO₄等各类储能电池相兼容；所述LT3652具有充电电压调节回路，即具有最大功率点跟踪功能，可以通过降低充电电流，使得太阳能电池保持在设定的输出电压之上。所述LT3652具有低电流充电自动切换和重新充电自动开启功能，当充电电流低于最大充电电流的1/10时，电路自动切换到85μA低电流充电模式。如果锂电池电压小于可编程浮栅电压的2.5％，自动开启再充电模式。

（2）、引出了多个接线柱，以便于直接用欧姆表监测电路的电压状况；

（3）、采用光敏传感器实时感知周围光强，并通过LED的亮度来直观反映太阳电池对锂电池充电的状态，具有较好的演示效果；

（4）、重量轻，高的比能量密度（32mWh/g）。

因此，本发明所述的演示系统在中小学能源技术知识教学教具方面具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1微能源演示电路原理图；

图2、微能源演示电路PCB图（正面），R表示电阻、C表示电容，J表示接线柱，D表示二极管，L表示引线、U表示集成电路单元；

图3、微能源演示电路PCB图（反面），R表示电阻、C表示电容，J表示接线柱，D表示二极管，L表示引线、U表示集成电路单元；

图4、微能源演示电路侧视图，图中1表示基板，2表示太阳电池，3表示控制电路，4表示接线柱；

图5、微能源演示电路俯视图，图中1表示基板，2表示太阳电池，3表示控制电路，4表示接线柱。

具体实施方式

第一步、依照图1原理图，设计出印刷电路板（PCB）版图（图2表示正面，图3表示反面），PCB图中R表示电阻、C表示电容，J表示接线柱，D表示二极管，L表示引线、U表示集成电路单元）。如图1所示，四块太阳电池板串联，电压16.8V，并联10uF电容，串联CMSH1-40MA镇流二极管，并联电阻（530KΩ，100KΩ），连接LT3652芯片。LT3652SW端连接10uH电感，Boost端连接1uF电容，再与镇流二极管反向连接，与地连接。BAT端并联542K，和10uF电容，与聚合物锂电池连接。NTC端与10K电阻连接，10K电阻另一端接地。VFB与459K电阻连接，该电阻另一端接地。TIMER端接地，FAULT端，CHRG端空接。Vin和SHDN端相连后与图1中左边的CMSH1-40MA输出端相连。

第二步、制版、焊接电阻、电容、电感、二极管、光敏传感器、LED灯、Linear公司的LT3652集成电路模块，形成演示电路主体

第三步、将演示电路主体与4块串联的天合光能科技有限公司生产的4.2V晶硅太阳电池（效率16％）连接，将电路主体与两块Nokia公司的聚合物锂电池（860mAh，3.2Wh,3.7V）连接。为了便于现场测量演示，将太阳电池、聚合物锂电池电压端引出，连接到接线柱组。

第四步、演示。将连接好的电路置于阳光下，发现黄色LED被点亮，表明太阳电池开始对锂电池充电。

Claims

1.一种光能捕获与存储微能源演示系统，其特征在于所述系统包括四片串联的太阳电池，两块串联的聚合物锂电池和太阳电能捕获与存储电路单元；所述的电路单元包括光敏传感器，LED灯和电控单元，通过电控单元将太阳电池捕获的光电能储存到锂电池中，在无光照条件下，通过锂电池对负载供电。LED灯是用于监测光线充裕度和充电是否正常，光线最强烈时，LED亮度随光强减弱而减弱。

2.按权利要求1所述的演示系统，其特征在于所述的太阳电池的每片电压为4.2V，效率为16%；所述的聚合物锂电池为Nokia公司提供的860mAh，3.7V。

3.按权利要求1所述的演示系统，其特征在于所述电控单元的型号为LT3652芯片，通过LT3652电控单元对聚合物锂电池储能；

①所述LT3652电控单元输入电压在4.95－32V之间可变，提供恒流恒压充电，最大充电电流通过外部编程达到2A，充电单元具有3.3V浮栅反馈参考电压，电阻浮栅可编程电压达到14.4V，与锂电池、聚合物锂电池、NdCr、NiM/H或LiFePO₄各类储能电池相兼容；

②所述LT3652具有充电电压调节回路，即具有最大功率点跟踪功能，通过降低充电电流，使得太阳能电池保持在设定的输出电压之上；

③所述LT3652具有低电流充电自动切换和重新充电自动开启功能，当充电电流低于最大充电电流的1/10时，电路自动切换到85μA低电流充电模式。如果锂电池电压小于可编程浮栅电压的2.5％，自动开启再充电模式；

④采用光敏传感器实时感知周围光强，通过LED的亮度直观反映太阳电池对锂电池充电状态。

4.按权利要求1或3所述的演示系统，其特征在于：

①四块太阳电池板串联，并联10uF电容，串联CMSH1-40MA镇流二极管，并联530KΩ和100KΩ电阻后，连接LT3652芯片；

②LT3652芯片的SW端连接10uH电感，Boost端连接1uF电容，再与①中所述的镇流二极管反向连接，且与地连接。BAT端与542K和10uF电容并联，且与聚合物锂电池连接；NTC端与10K电阻连接，10K电阻另一端接地；VFB与459K电阻连接，该电阻另一端接地；TIMER端接地，FAULT端，CHRG端空接。Vin和SHDN端相连后与中左边的CMSH1-40MA输出端相连。

5.按权利要求1-3中任一项所述的演示系统，其特征在于所述的演示系统的比能量密度达32mWh/g。

6.按权利要求4所述的演示系统，其特征在于所述的演示系统的比能量密度达32mWh/g。

7.制作如权利要求1-3中任一项演示系统的方法，其特征在于步骤为：

a）、依照原理，设计出印刷电路板版图，包括电阻、电容、接线柱组、二极管、引线以及集成电路单元；

b）、制版、焊接电阻、电容、电感、二极管、光敏传感器、LED灯、Linear公司的LT3652集成电路模块，形成演示电路主体；

c）、将演示电路主体与4块串联的太阳电池连接，将电路主体与两块Nokia公司的聚合物锂电池连接；

d）、检测与演示。将连接好的电路放到阳光下，发现黄色LED被点亮，表明太阳电池开始对锂电池充电。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于太阳电池、聚合物锂电池电压端引出，连接到接线柱组。