家庭微光伏储能系统

家庭微光伏储能系统

随着全球变暖趋势持续，全球高温不断刷新纪录，我国极端天气气候事件频发，多地遭遇创纪录的高温和暴雨。气候变化的影响广泛而深远，复合型气候变化加剧。

碳排放的增加是导致气候变暖的主要原因之一。碳排放是指在人类活动过程中，二氧化碳及其他温室气体进入大气的过程。随着人类活动的不断增加，特别是工业化进程的加快和能源消耗的剧增，大量的二氧化碳进入大气中，引发了温室气体的浓度上升。这些气体主要来源于化石燃料（如煤、石油和天然气）的燃烧。它们像一层厚厚的毯子包裹着地球，导致温室效应增强，进而引发全球变暖、极端气候事件频发等一系列环境问题。所以我们要通过节能实践来降低碳排放。碳排放活动与我们每个人、每个家庭息息相关。

家庭使用新能源给用电器充电，减少电力消耗，也能实现节能减排。于是我设计并制作了一套成本低、体积小、稳定性强的家庭微光伏储能系统，它可以给日常生活中所有 USB 接口的用电器充电。该系统通过太阳能电池为储能电池充电，储能电池通过降压给用电器充电。在给储能电池充电过程中，太阳能电池也可以直接给用电器充电。我们一起来看看它的工作原理和制作过程。

01

准备材料

家庭微光伏储能系统原理如图 1 所示，采用全模块化设计，不涉及程序编写。太阳能电池板产生的电能通过 MPPT 充电模块给磷酸铁锂电池组充电，充满后自动停止充电。库仑计电池容量检测仪用于计算和显示电池组的容量，使用时需要打开电源开关，电池组或太阳能电池板通过理想二极管给电池容量测试仪和快充模块供电，当太阳能电池板电压大于电池组电压时，通过太阳能供电；当电池组电压大于太阳能电池板电压时，通过电池组供电。输出部分包含两个 4 路 USB 快充模块组成的 8 路USB 输出，可以独立给 8 个用电器充电。一个全协议 100W 快充模块可以给需要大功率快充的用电器充电。多功能电池测试仪用于监控电池的状态及输出的电流、功率、电能等信息。通过查看测试仪上的电能数值，便可了解通过微光伏储能系统节省了多少电能。本项目材料清单见表 1。

储能电池

储能电池可以分为铅酸电池、镍系电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池等多种类型。随着科技的发展，现在锂电池已经成为主流。目前常用的锂电池有三元锂电池、磷酸铁锂电池（见图 2）、钴酸锂电池等，它们的优缺点见表 2。

太阳能电池板

太阳能电池板是我们日常生活中常见的设备。太阳能电池板通过吸收阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换为电能。常用的太阳能电池板分为多晶硅、单晶硅、非晶硅等，它们的优缺点见表 3。

家庭光伏储能使用单晶硅太阳能电池板比较合适。我选用的太阳能电池板如图 3 所示，它是功率为 100W 的单晶硅太阳能电池板，标称开路电压为 21.4V，短路电流为 6.2A，最大工作电压为 18.2V，最大工作电流为 5.99A，转化效率为22%。其大小为 830mm×670mm×30mm，具有高转换率、高输出效率的发电性能。

MPPT充电管理模块

MPPT 充电管理模块如图 4 所示，它主要负责太阳能电池板给锂电池组充电，该模块具有 MPPT太阳能最大功率点跟踪功能，全自动智能化充电管理。输入电压为 DC 8~28V，输出电压为 DC5~26V 可调，输出电流为 5A。它具有智能涓流、恒流、恒压充电管理等功能，充满电自动停止，晚上休眠，白天自动启动，实现了无人值守的智能化管理，非常适合对单节或多节锂电池或磷酸铁锂电池的充电管理。

库仑计电池容量检测仪

我们常规计算电池容量会通过测量电压计算，但由于充放电过程中电流的变化，会引入较大的误差。库仑计是根据法拉第定律设计出用于测量电路中所通过电量，计量精准。我使用的库仑计电池容量检测仪如图 5 所示，它内置了 10A 的电流采样电阻，支持电压为 DC 8~120V，支持检测容量为0~999Ah，可以精准地显示储能电池的剩余容量。

理想二极管

二极管是我们在电路中常用的元器件，它具有单向导电性能。由于二极管存在正向压降，流过大电流时会产生较大的功率损耗。理想二极管的正向压降很低，通过大电流时，功耗也非常低，适合应用于大电流场合。我使用的理想二极管如图 6 所示，它是使用 XL71610 专用芯片模拟理想二极管整流器，采用了 3.3mΩ 低内阻 MOS 管，在 10A 电流下，压降仅为 50mV，发热量很低。

多功能电池测试仪

多功能电池测试仪由测试仪表头和分流器（见图 7）组成。表头负责采集和显示数据，分流器相当于采样电阻，用于测量电流。多功能电池测试仪可以测量并显示电池的电压、工作电流、输出功率、电池的容量、使用时间等信息，方便查看电池及负载的使用情况。

4路USB快充模块

4 路 USB 快充模块如图 8 所示，由 4 个独立的直流降压快充电路组成，可同时支持 4 路快充。输入电压为 6~32V，输出电压默认为 5V，触发快充后在3~12V 范围内自动调整。每路 USB 输出最大功率为24W，4 路模块最大功率为 96W。具有输入过压、欠压、过流保护，输出过流、短路保护，以及整机过温保护的功能。它支持部分快充协议，如DCP、FCP/SCP、AFC、SFCP、QC2.0/QC3.0、MTKPE1.1/2.0，适用于日常大部分小功率 USB 用电器。

全协议快充模块

全 协 议 快 充 模 块 如 图 9 所 示， 它 内 置 了SW2303 快充协议芯片和 PL5501 升降压芯片，非常适合电池供电的快充。支持 PD、QC、FCP、高低压 SCP、AFC、SCP、PE 等主流快充协议，最大输出功率为 100W，支持大部分手机等数码产品。

02

制作过程

1.准备一块 PVC 底板进行系统搭建。

2.将两个 4 路 USB 快充模块用铜柱连接，这样可以有 8 路 USB 快充输出接口。

3.将锂电池、MPPT 充电管理模块、多功能电池测试仪、4 路 USB 快充模块、全协议快充模块等放置在 PVC 底板上，寻找合适的位置固定各个模块。

4.焊接理想二极管连接线，模块及连接处用热缩管包裹进行绝缘。

5.焊接电池和库仑计电池容量检测仪的连接线。

6.将库仑计电池容量检测仪固定在电池组上，并连接电池组。

7.按照系统电路连接整个储能充电系统。

8.使用电池组供电给两部手机进行充电测试。

03

成品展示

将太阳能电池板放置在阳台有充足阳光照射的地方，工作中的太阳能电池板如图 10 所示，将储能电池及充电系统放置在适合充电的地方，连接太阳能电池板与充电系统。日常太阳能电池板会通过MPPT 充电管理模块对储能电池组进行充电，充满自动停止。使用时打开电源开关，通过 USB 数据线连接 USB 充电模块和设备，即可进行充电，家庭微光伏储能系统同时为多种设备充电如图 11 所示。

04

结语

通过微光伏储能系统的搭建，我对最初的想法进行了验证。美中不足的是储能电池及充电系统还没有一件美丽的“衣服”，后续我会设计一款外壳，让这个系统既美观又实用。该系统特点是零碳排放、效率高，希望更多人、更多家庭节能减排，实现绿色发展。