新型太阳能手机充电宝的设计

引 言

新型太阳能手机充电宝的设计思路如下：

(1) 分开充电宝的发电部件和储能部件，解决传统太阳能手机充电宝工作时散热不畅的问题；

(2) 发电部件带有自动追踪系统，可明显提高发电效率， 增加发电量。

(3) 太阳电池组件按照手机壳样式设计，既可以减少体积，又可以对手机起到保护作用；

(4) 底座既可以与太阳电池组件一起组装成自动跟踪系统，又可作为手机支架。

1 太阳电池组件的设计

太阳能手机充电宝的温度升高来源于两个方面，一是光照时电池板温度升高；二是储能电器元件的发热导致温度升高。这两种原因的升温都会减少充电宝的使用寿命，降低光电转换效率。所以手机充电宝太阳电池组件采用两块并联可拆卸的设计。

图 1 中e 为两个挡板，用来卡住手机充电宝的主体部件（含有蓄电池）。c 为两块电池板并联以后引出的电源线插头，d 为把电池板固定在底座上的插口。

2 储能部件的设计

太阳能手机充电宝主体即储能部件，用于储存太阳电池板所发电量。充电宝主体三维线框如图 2 所示。

图 2 中n 为太阳能手机充电宝的电量显示屏 ；o 为时间显示屏 ；p 为连接太阳电池组件的插口，与 c 配合使用；q 为两个 USB 接口，把充电宝电量输出到手机 ；r 为外部电源对太阳能手机充电宝输入电量的接口，可以匹配普通的手机电源线，这款太阳能手机充电宝既可以接收来自太阳电池板的输入电量，又可以利用外部电源充电。

3 自动跟踪系统的设计

3.1 自动跟踪系统设计原理

目前常见的光伏自动跟踪系统包括倾纬度角斜单轴跟踪、水平单轴跟踪和双轴跟踪，其中前两种只有一个旋转自由度， 最后一种具有两个旋转自由度。这两个自由度跟踪方向包括水平回转和竖直俯仰两个方向[1,2]。本文采用双轴跟踪的设计。

阳光遇到障碍物时会在障碍物后面形成阴影，根据该现象，利用光控开关 [3] 来控制电机的旋转方向，从而跟踪太阳的方向，进而改变方位角和高度角。设计如图 3和 4所示。

图 3 中，a 为内部含有光敏电阻组成的光控开关，b 为两块挡板，当阳光从b 的左侧或右侧照过来形成的阴影挡住了光敏电阻时光控开关开始工作。光控开关打开后，电机回路中有电流通过，电机工作带动太阳电池板旋转从而改变方位角。

3.2 底座设计

底座用来放置太阳电池组件，整个太阳追踪系统就是以此为基础而设计。底座的外观设计如图 3和图 4所示。f为直流电机，g和图 1中的d为同一直径的插口，起到固定电池板的作用，h为一个长方形的卡扣，用来卡住图 1中的挡板e， 同时也起到固定太阳电池组件的作用。i为固定电池组件的支架，可以沿着轴心自由旋转以改变太阳电池组件的倾斜角，从而实现对太阳高度角的跟踪，以箭头的起点为轴心。j为电刷， 从光敏电阻通过电刷与充电宝的蓄电池形成回路，构成完整的光控开关电路。

3.3 太阳方位角跟踪设计

通常来说，方位角是指朝向东西南北方向的角度。对于光伏发电系统来说，方位角以由南向东向北为负角度，正南为零度，由南向西向北为正角度。

图 3和图 4是太阳方位角跟踪的外观结构设计。b为两个挡板，假设图中左边为b1，右边为b2；a为两个光敏电阻，左边为a1，右边为a2。当阳光从左边照射过来时，光敏电阻 a1 处光线明亮，a2被 b2形成的阴影遮挡，处于暗处，此时右侧的光控开关处于工作状态，直流电机顺时针转动，带动底座上的光伏组件自动追踪太阳方位角，直到b2阴影不在遮挡光敏电阻a2，直流电机停止工作，相应的光伏组件也不再移动， 这时代表光伏组件已经追踪到了太阳方位。同理，当阳光从右侧照射过来，光敏电阻a1处于挡板b1的阴影中，此时直流电机逆时针旋转带动光伏组件向右追踪太阳方位角。

3.4 太阳高度角的跟踪设计

对于地球上的某个地点而言，太阳高度角是指太阳光的入射方向与地平面之间的夹角。

图 5中，m为固定丝，可通过d和g把光伏电池组件与上文中的i组合固定成一体 ；k1和 k2是互相垂直的十字坐标； l是垂直于十字坐标的一个小圆柱体。当自动追踪系统追踪到太阳方位角而高度角出现偏差时，即 l的阴影落在 k2直线的上部或下部，只需手动增大或减小太阳电池组件的倾斜角直到 k2 直线上不存在l的阴影为止，这时就实现了太阳电池组件对太阳高度角的手动调节跟踪。同理，也可调节太阳电池组件的方位角。

图 5 太阳高度角跟踪

4 使用展示

4.1 底座的多功能展示

底座可以作为手机支架，方便观看视频，如图 6 所示。还可以根据视觉角度需要来调整手机放置的最佳倾斜角。当然也可以一边在充电宝上充电一边看视频。底座也可以作为追踪系统的整体支架。太阳追踪系统功能组装如图 7 所示。

4.2 电池组件多功能展示

4.2.1 手机壳式的组装

太阳电池组件与手机充电宝储能装置可以分离，像普通手机壳那样组装在一起，对手机充电宝起到一定的保护作用。其组装情景在CAD 软件环境下的三维效果如图 8 所示。

图 8 手机壳式组装整体效果

在实际运用时，可以把手机壳似的太阳电池组件悬挂在双肩背包和单肩包上使用，更加方便。

4.2.2 太阳追踪系统的组装展示

文中设计的太阳方位角自动跟踪系统，通过组装可以实现对太阳方位的追踪。适用于阳光较好的天气情况，可放置在室内的桌面上，野外旅游探险时可平整的放在地面上。

5 结 语

此款新型太阳能手机充电宝的设计具有以下创新点：

(1) 普通太阳能手机充电宝一般使用单块电池组件，而本文采用两块，理论上可把充电量提高一倍；

(2) 设计太阳自动跟踪系统，提高了太阳电池组件的发电效率，缩短了充电宝的充电时间；

(3) 太阳电池组件与储能部分可分离，既避免了因为阳光直射充电宝而导致的使用寿命下降问题，又避免了因为储能部分温度升高，热量传给组件而导致转换效率降低的问题。