太阳能蓝牙耳机系统设计课程汇报文档格式.docx
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纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。
能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。
过去100多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然资源，特别是能源资源。
当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消费增加是经济社会发展的客观必然。
进入21世纪的人类面临的三大主要问题是能源、环境和经济。
能源和经济问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽，环境污染日益严重，在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下，开发新能源成为世界各国关注的焦点。
开发可再生而且不污染环境的清洁能源的任务已经迫在眉睫。
众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源。
从而太阳能光伏发电越来越受到人类青睐。
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，太阳能资源从根本上讲就是太阳的辐射能。
在人类对未知世界的不断求索的过程中，我们开始发现太阳辐射不仅具有含量巨大的特点，其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，太阳能到达地面的能量高达80万kW/s，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达（5.6×
1012）kW·
h，相当于目前世界上能耗的40倍；
而且，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性、充足性和长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，可谓是人类的生活宝库，是我们取之不尽的能量的源泉，因此光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。
1.3国内外太阳能光伏发展的现状
1.3.1国外太阳能发展现状
随着地球资源的日益贫乏，人们对利用太阳能发电的愿望越来越迫切。
从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。
在世界各国尤其是美、日、德等西方发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世界光伏工业近年来保持着年均30%以上的高速增长势头，是目前发展最快的产业之一。
近几年，全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%，2004年全世界生产总量更达1000兆瓦。
发展中国家印度处于领先地位，目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，年生产组件11兆瓦，累计装机容量约40兆瓦。
本世纪以来，一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。
太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。
美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发计划。
1.3.2国内太阳能发展现状
近几年来，我国光伏产业经历了爆发式增长，已基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、拉单晶、电池片、封装、平衡部件、系统集成、光伏应用产品和专用设备制造的较完整产业链。
产业链各个环节的专用设备和专用材料的国产化加快，许多设备完全实现了国产化并有部分出口。
截止到2007年底，全国太阳能电池和组件的生产能力分别达到2.9GWp和3.8GWp，当年产量分别比2006年增长148％和138％，达到1.1GWp和1.7GWp，均占世界总产量的27％以上，使我国成为全球第一大太阳能电池和组件生产国。
2007年我国光伏产业的销售收入也增加到1000亿元，从业人员达到8万人以上。
特别是多年持续严重制约我国光伏产业发展的高纯多晶硅制造技术，在这两年内实现了重大技术突破。
在科技部和国家发展改革委等有关部门支持下，2007年新光硅业、洛阳中硅、江苏中能等3个企业分别建成了千吨级高纯硅生产线，使得全年高纯硅产量大幅增加到1130吨。
2008年，随着江苏中能二期和重庆大全的各自1500吨多晶硅工程的建成投产，预计国内超纯多晶硅的全年产量将超过4000吨。
而且，重庆大全和江苏中能公司实现了还原尾气回收利用技术和多晶硅还原炉制造技术的重大突破；
据介绍，综合能耗已降到150-180kWh/kg（使得成本降低到约50美元／kg），显著低于其他国内同类企业的250-300kWh/kg，主要物料的综合回收率也超过98％。
最近，江苏中能等一些国内企业还在积极准备开发引进流化床法、硅烷法等新型高纯硅生产技术，可望使高纯多晶硅生产的综合电耗降至20-50kWh/kg，成本降至15-25美元／kg。
据不完全统计，目前全国至少有33家高纯硅生产企业的一期工程产能总计约为4.4万吨（规划总产能高达8.8万吨），如果这些项目能顺利建成投产，预计我国2010年的多晶硅产量将超过3万吨，将从根本上缓解高纯硅材料的供需紧张的矛盾。
随着我国光伏产业的迅速发展壮大，不少地方和企业近年来积极建设MWp级并网光伏系统（主要是建筑屋顶光伏系统）。
据不完全统计，截止到2008年5月，全国已建和在建11个MWp级并网光伏系统，大部分预计在2009年建成。
一些光伏设备制造企业还积极探寻建设更大规模光伏发电站的机会；
江苏等省份还提出制定“万个太阳能屋顶计划”。
我国第十届中国太阳能光伏会议的《常州宣言》提出了非常积极的目标，力争在2015年前使光伏发电成本下降到1.5元／kWh，在10年内使光伏发电量占到全国总发电量的1％，这意味着大约500亿kWh的年发电量和超过4000万kW的装机量。
在可再生能源中，太阳能取之不尽，清洁安全，是理想的可再生能源。
我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。
此外，目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展的可再生能源技术之一。
截止2004年，太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施（如照明）、家庭生活用电等。
尤其是在边远地区，太阳能光伏发电更加显示它的优势。
我国目前尚有约有30000个村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60%的有电县严重缺电，光伏市场潜力巨大。
专家预测2006年我国太阳能电池生产能力将超过300兆瓦。
在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。
1.4蓝牙耳机的市场现状
蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术。
能在包括移动电话、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用”蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
中国产业调研网发布的2017年全球及中国蓝牙耳机市场现状调查与未来发展趋势报告认为，在欧美等许多发达国家，蓝牙耳机的市场保有率很高，而在中国，蓝牙耳机只是作为高端机的配件在市场销售。
而这两年，尤其是在2015年初新交规引爆蓝牙市场后，蓝牙耳机高、中、低端市场已全线启动。
这不仅得益于CSR、ISSC等芯片公司的技术提升，国内外蓝牙品牌的大力推广更是功不可没。
根据市场调查，推测其比例约为15%-18之间，加上蓝牙耳机的更换情况，可以得出，2016年，我国蓝牙耳机市场规模为102.17亿元。
随着技术的进步，蓝牙耳机产品的不断细化，中国蓝牙耳机消费量保持较高的增长率。
纵观整个蓝牙耳机市场，外国品牌仍然在国内占据较大的市场份额。
但是随着个性化消费的增长，消费者对蓝牙耳机的个性化需求将越加明显，相应的蓝牙耳机市场将被进一步细分，这将为蓝牙耳机制造商创造了良好的发展机遇。
由于蓝牙耳机行业兼具技术密集和资金密集的产业特征，出于比较优势的考虑，国际范围内蓝牙耳机产品的生产正在发生着大规模的产业转移，生产中心已由欧美、日韩逐渐向我国转移。
1.5太阳能蓝牙耳机的意义和依据
蓝牙耳机方便便捷，让人们摆脱了耳机线的困扰，但脱离了耳机线成为独立的个体时蓝牙耳机的电量续航成了一个问题。
现在蓝牙耳机和光伏结合出现了新的产品太阳能蓝牙耳机解决了这一问题。
我参考了SpacecraftEngineering期刊的《太阳能薄膜电池的制造技术革新》，2012年8月16日消息，最近瑞士国家材料科学与技术实验室（Empa）联合欧洲13国向欧盟递交了先进太阳能薄膜电池以及光伏发电装置的申请。
该实验室已证实，薄膜太阳能电池与传统的硅半导体太阳能电池相比，更可能有效利用材料和降低太阳能光伏发电设备的生产成本。
另外参考了重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室周静、何为和重庆师范大学太阳能研究所龙兴明的《蓄电池储能的独立光伏系统充电控制器研制》，针对光伏阵列对蓄电池进行直接串联充电时能量收集效率过低的缺陷，提出基于系统参数实时跟踪的最大充电控制方法，研制以微处理器为核心、可切换并联Buck/Boost拓扑结构为框架的智能充电控制器，实现太阳能的最大收集。
实际运行结果表明：
基于微处理器的智能控制策略能动态描述系统的参数信息，提高电量收集效率，系统动态跟踪时间约4ms，电能收集效率提高20％以上；
基于廉价单片机的最大充电控制器避免了太阳能电池的过大功率配置，有利于降低系统成本。
我将解决把光伏发电模组、蓄电池和蓝牙耳机的高度融合，优化蓄电池的充放电，在不增加蓄电池体积上的同时增加续航，在不增加太阳能薄膜电池的数量的同时增加太阳光的利用率，完善产品的外观。
解决以上问题，最后得到的产品在外观上与那些潮流头戴式耳机无太大差异，使人们容易接受，在功能上在白天晴朗天气出门在外时不用担心你的蓝牙耳机突然没电，而且在阳光充足的环境下将永不断电。
1.6课题的主要任务和需要解决的问题
课题主要任务：
（1）查找相关文献资料，了解太阳能蓝牙耳机的功能和工作原理
（2）根据实际确定太阳能蓝牙耳机要实现的功能
（3）根据实现的功能确定太阳能蓝牙耳机的设计方案
（4）根据功能完成太阳能蓝牙耳机的硬件系统设计
解决的问题：
（1）解决太阳能蓝牙耳机受播放时间限制问题
（2）解决太阳能蓝牙耳机供电问题
（3）解决太阳能蓝牙耳机供电受天气限制的问题
第2章系统结构设计
2.1太阳能蓝牙耳机的结构分析
光伏电池
控制器
蓄电池
蓝牙耳机
图2.1太阳能蓝牙电池系统设计
此太阳能蓝牙耳机主要由蓝牙耳机、控制器、蓄电池、光伏电池构成。
2.2太阳能蓝牙耳机工作原理
太阳能蓝牙耳机利用太阳能电池的光生伏特效应原理，有光时太阳能电池吸收太阳能光子能量产生的电能通过控制器向蓄电池组充电，当进入光线条件不好的环境时或灯具周围的光照程度较低时，蓄电池提供电力给蓝牙耳机负载。
控制器能够在任何情况下，包括光线充足或者是长期无光源环境下，都能确保蓄电池不因为过充或过放而发生破坏。
2.3光伏电池的结构和工作原理
太阳能电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应（简称光伏效应），太阳能电池就是产生光生伏打效应（简称光伏效应）的半导体器件。
通常由硅材料制成，因此，太阳能电池又称为光伏电池。
太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置，1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，并首先应用于空间技术。
当时太阳能电池的转换效率为8%。
1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近十几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。
由于单个太阳能电池功率极小，所以在实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。
光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。
光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。
光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。
硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；
若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。
当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。
当太阳光照射到P－N结后，空穴由P极区往N极区移动，电子由N极区向P极区移动，形成电流。
2.4光伏电池的分类
2.4.1单晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已基本定型，产品已广泛用于实际中。
这种太阳能电池以高纯的单晶硅为原料，纯度要求99.999%。
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟但制作成本很大，导致它还不能被大量广泛和普遍地使用。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
有的也使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。
单晶硅太阳能电池的单体片制成后，经过检验，就可以按所需要的规格组装成太阳能电池组件，在实际应用中通过串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，为负载所用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。
2.4.2多晶硅太阳能电池
目前太阳能电池使用的多晶硅材料，大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料融合浇铸而成，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。
这种硅锭铸成立方体后通过切片加工成方形太阳能电池片，提高了材料利用率和方便组装。
多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺差不多，其光电转换率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
2.4.3单多晶硅片性能对比
单晶硅片与多晶硅片在晶体品质、电学性能、机械性能方面有显著差异。
下面的图2.2是晶体硅光伏产业链的完整图示，从硅料到硅棒、硅片、电池、组件再到系统。
如图中红色边框标示，单晶和多晶的差别主要在于原材料的制备方面，单晶是直拉提升法，多晶是铸锭方法，后端制造工艺只有一些细微差别。
图2.2晶体硅光伏产业链图示
晶体品质差异
图2.3展示了单晶和多晶硅片的差异。
硅片性质的差异性是决定单晶和多晶系统性能差异的关键。
左图是单晶硅片，是一种完整的晶格排列；
右图是多晶硅片，它是多个微小的单晶的组合，中间有大量的晶界，包含了很多的缺陷，它实际上是一个少子复合中心，因此降低了多晶电池的转换效率。
另一方面，单晶硅片的位错密度和金属杂质比多晶硅片小得多，各种因素综合作用使得单晶的少子寿命比多晶高出数十倍，从而表现出转换效率优势。
图2.3单晶硅片与多晶硅片外观图示
单晶是一种完整的晶格排列，在同样的切片工艺条件下表面缺陷少于多晶，在电池制造环节，单晶电池的碎片率也是小于1%的，通常情况下是0.8%左右。
单晶硅片可以稳定应用金刚线切割工艺，显著降低切片成本，并提高电池转换效率。
对多晶而言，晶体结构的缺陷导致在电池环节的碎片率一般大于2%，并且硅片切割工艺的改进难度很大，因为它没法用金刚线切割，只能用传统的砂线来切，成本上基本没有多大的下降空间。
电学性能差异
图2.4是单多晶的少子寿命对比。
蓝色代表少子寿命较高的区域，红色代表少子寿命较低的区域。
很明显，单晶的少子寿命是明显高于多晶的。
图2.4单晶与多晶少子寿命分布比较
机械性能差异
图2.5是单晶硅片和多晶硅片的机械性能电脑分析对比数据。
可以看出，多晶硅片的最大弯曲位移比单晶硅片低1/4，因此在电池的生产和运输过程中更容易破碎。
我们今天讲电站的质量问题，很重要的一点，组件在运输安装过程中可能产生电池片破碎、隐裂等问题，相对多晶而言，单晶在运输中的抗破坏性能比较好。
另外，在电站长期的高低温交替过程中，多晶组件更容易发生隐裂，这样就降低了组件的输出功率。
图2.5单晶硅片与多晶硅片机械性能比较
单多晶电池对比
晶硅电池发展历程
1839年，法国科学家贝克雷尔发现液体的光生伏特效应。
1917年，波兰科学家切克劳斯基发明CZ技术，后经改良发展成为太阳能用单晶硅的主要制备方法。
1941年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应。
1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池。
1955-1975年，由于单晶电池成本较高，产业界不断致力于降低晶体制造成本，并提出铸锭单晶工艺。
1976年，铸锭单晶技术失败，德国瓦克公司率先将铸锭多晶用于太阳能电池生产，牺牲晶体品质以降低发电成本。
2005-2010年，多晶电池技术基于相对便宜的成本快速扩大份额。
2013年，松下HIT单晶电池转换效率达到25.6%，突破了光伏产业界最高理论效率极限，人们再次评估各种技术的性能和成本区间。
2013-2015年，连续快速拉晶技术和金刚线切片技术的导入使得单晶组件成本与多晶组件成本差距缩小到3%以内，采用单晶组件与采用多晶组件的电站单位投资成本持平。
预计到2016年，随着PERC等高效技术的应用，单晶组件与多晶组件成本将达到一致。
转换效率对比
影响转换效率的3项主要参数是：
Voc（开路电压）、Isc（短路电流）、FF（填充因子），公式为：
Eta=Voc×
Isc×
FF
从光电转换效率参数分解来看，单晶电池的各项参数全面领先于多晶，详见表2.1。
一般来讲目前工艺下国内单晶电池量产效率是19.55%左右，做得好的话可以达到19.8%-19.9%，取决于它是三栅线还是四栅线；
多晶电池量产效率一般是18.12%左右。
表2.1量产单晶电池与多晶电池的典型电学参数
下面的表2.2是单晶电池和多晶电池在量产层面转换效率发展潜力的数据，单晶优势非常明显：
表2.2单晶电池与多晶电池已实现的最高量产转换效率差异
在实验室记录方面，单晶技术潜力的优势更加显著。
多年前澳大利亚新南威尔士大学开发出的P型单晶硅电池（PERL）最高转换效率可达25%，这一纪录多年没有被打破。
PERL与我们现在做的PERC差别就在于，PERL在BSF上不使用铝扩散，而是采用了硼扩散，因此转换效率比PERC更高一点。
目前SunPower开发出的N型单晶硅IBC电池的最高转换效率达25%，松下N型单晶硅HIT异质结电池转换效率高达24.7%，去年推出的"
HIT+IBC"
电池的效率高达创记录的25.6%（Panasonic）。
以上数据全部是基于单晶硅技术的实验室记录，而多晶硅电池最高实验室转换效率仅为20.8%，差别是比较大的。
单晶硅电池在各项主要参数上均全面高于多晶硅电池，在未来高效率发展方面具有更大的潜力。
下图2.6是单多晶量子效率的对比，结果显示单晶电池无论是在短波还是近红外波段，量子效率都明显高于多晶。
这主要是由于多晶硅片存在较高的晶界和位错缺陷，少子寿命普遍低于单晶。
图2.6单多晶量子效率比较
另外，单晶具有更好的弱光响应。
从图2.7可以看出，在辐照高的地方单多晶相差不大，但在辐照低的地方，单晶电池的弱光响应是明显高于多晶的，这也反映在全年的发电量差别上面。
图2.7单多晶弱光响应能力比较
制程差异
在制程方面，单晶比多晶更环保、成本更低。
电池的制程工艺包括制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等，单晶电池和多晶电池的制备工艺主要差别在制绒环节，其余环节仅仅是控制标准的差异。
单晶制绒采用碱溶液腐蚀，腐蚀过程中产生硅酸盐和氢气副产物，通过应用制绒辅助液代替或部分代替异丙醇（IPA），可实现更低的BOD、COD污水排放，且单晶制绒体系对于设备硬件的要求很低，更容易实现环保和工艺控制。
多晶采用酸溶液腐蚀，需要使用高浓度的硝酸和氢氟酸，主要副产物为氟硅酸和NOx，而Nox是一种很难彻底处理的大气污染物，考虑到这些因素，需要使用严格封闭的自动化设备。
多晶制绒的设备购置和维护成本远高于单晶。
温度系数对比
单晶材料没有晶界，材料纯度高，内阻小，温度升幅较小；
另一方面，多晶电池的光电转换效率较低，它将更多的光能转换为热能而非电能，也导致多晶的温度升高更明显。
在最高光强下，单晶工作温度比多晶低5~6℃左右，部分地区的多晶工作温度可以比单晶高出10℃以上，因而多晶的功率损失较大，单晶的功率损失较小。
从温度系数本身来看，单晶温度系数是略低于多晶的，因此同样升高1℃的情况下单晶功率损失也少于多晶。
PERC电池技术简述
几年前光伏工业界把高效电池的注意力主要放在选择性发射极电池技术？
现在业内不再做选择性发射极电池而更加关注PERC电池，因为选择性发射极电池主要是提高了短波段吸收能力，但是反映在组件上，由于EVA本身吸收的也是紫外光的短波段，所以它在组件方面没有体现出明显优势，选择性发射极技术就被淘汰了。
而PERC电池主要是表现在近红外、红外波段的吸收，而EVA不吸收红外波段的太阳能，所以PERC技术更好的把电池效率的提升反应到到组件效率的提升。
PERC电池具有以下特点：
①电池效率绝对值在单晶上可提高1%，在多晶上可提高0.5%，因此在单晶上采用PERC技术优势更大。
②PERC技术具有与现有产线兼容度高，易于进行产线升级，并可降低电池片每瓦成本。
③PERC电池已经成为行业主流技术并逐步替代常规电池。
④通过工艺优化，在近1-2年内可逐步将量产效率提升至21%，SolarWorld公司近期在实验室的P型单晶硅PERC电池效率已经达到了21.7%。
以上所述的为P型PERC电池技术，下一代的N型PERC技术，不仅可以解决LID的问题，而且量产转换效率可以进一步提升至22%。
图2.8PERC电池结构与工艺图示
HIT电池技术简述
①采用N型单晶硅片，完全避免了LID现象。
②目前实验室最高转换效率24.7%，量产效率可达22%，结合IBC工艺的效率可以达到25.6%。
③采用非晶硅薄层进行双面钝化，电池开压可提升至740毫伏。
④全程采用低温制造工艺，可以形成全对称双面电池构造，避免高温制程对硅片的损及弯片现象，能够有效降低组件封装时的碎片率，并且制作双玻组件也非常有优势。
⑤制程相对简单，但工艺难度高，要做好是非常不容易的，主要是非晶硅薄膜层非常薄，只有5-10个纳米，所以均匀性控制很不容易。
另外，它目前的成本比PERC要高，一是设备投入高，二是HIT使用N型硅片，低温银浆和TCO等原材料成本高。
⑥温度系数很低，大约-0.25%/℃，比一般的晶体硅要低很多，因此总体的发电量比较高。
另外，可制成双面电池，背面也可以贡献发电量。
图2.9HIT电池结构图示
IBC电池技术简述
IBC电池也是采用N型单晶硅片生产，目前实验室最高效率可达到25%，量产平均效
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