太阳能被公认为是地球上一种真正可持续且对环境无害的能源。目前，人们正积极地利用这种资源，尤其在电力传输受限的偏远地区，太阳能的价值更为突出。对于那些白天长时间暴露在阳光下的区域，利用太阳能可以显著降低电费开支。
本文将指导您如何构建一个自制系统，利用太阳能为USB供电的直流电子设备充电。我们的目标是用最少的元件和简单的设计来阐释并演示这个概念。
认识太阳能
太阳能是指将阳光的能量转化为可使用且高效的能源。太阳能板和发电机是用于将光能转化为电能的关键设备。太阳能板的大小各不相同，从几平方英寸的小型板到住宅屋顶的大型板都有。此外，还可以将更大范围的太阳能板相互连接，以产生用于商业用途的电力。
利用太阳能的方式多种多样。最常见的是太阳能光伏（PV）系统，它直接将太阳光转化为电流。除了光伏系统，人们还利用太阳热能或聚光太阳能来加热室内空间或液体，例如安装太阳能热水系统。
选择合适的组件
本项目的核心目标是利用太阳能获取为USB供电设备充电所需的电流。此外，还需要一块电池来储存电能，以便在阴天或夜间供电。电池还可以确保持续向电子设备供应充电所需的特定电流。
在这个自制项目中，您需要以下组件：
- 太阳能电池板：在阳光照射下产生直流电。请根据负载需求选择合适尺寸的面板。我们选用的是150W的太阳能板，这个功率足以支持直流灯泡和风扇等设备。
- 电池：用于储存电能。根据负载需求选择合适容量的电池。
- 太阳能充电控制器：调节电流，防止电池过度充电和电路过载。选择额定电流和USB接口均合适的充电控制器。
- 电线：用于连接各个组件。
- USB设备：用于测试，例如手机或平板电脑。
第一步：方框图
下图展示了获取、控制和有效利用太阳能板所产生电力所需的组件。
将所有设备（包括发电单元（太阳能板）、储能单元（电池）和负载）连接到太阳能充电控制器。该控制器将负责监控流入电流、输出负载电流以及充电电压。
第二步：连接太阳能板
我们采用并联配置连接太阳能板（150W），以此来增加电池的充电电流。您可以根据实际负载需求选用更多或更少的太阳能板和功率。并联接法是指将所有太阳能板的正极端子用导线连接在一起，负极端子也采用同样的操作。然后，将正负极线的连接处分别用绝缘胶带包裹起来。
第三步：连接充电控制器
将太阳能板的正极线连接到充电控制器的正极端子，负极线连接到负极端子。我们使用的太阳能充电控制器带有一个USB Type-A端口。充电控制器内部的稳压器可以将12V直流电转换为5V直流电，从而为USB供电的设备充电。在USB模块中，通常引脚1和引脚4分别用于5V直流电和接地。通过这个USB端口，您可以为手机、平板电脑、智能手表等具有USB接口的电子设备充电。
太阳能充电控制器还可以防止过度充电或电压过高，否则会导致电池发热。过热可能会损害设备电池的寿命和性能。
第四步：安装电池
安装电池可以确保在天气恶劣或夜间无法使用太阳能充电的情况下，提供可靠的备用电源。我们使用12V直流电池来储存电能。我们采用并联配置连接这些电池，并通过这种并联方式保持相同的电压，即12V。而并联连接会增加电流容量。
应根据负载需求和太阳能板的充电能力选择电池容量（可以是一块或多块）。使用粗金属线将太阳能充电控制器的电池接口连接到电池端子。
第五步：完成接线
确保所有组件连接正确且牢固，以避免产生火花。另外，盖住接头以防止短路。使用优质且较粗的电线进行连接，因为这样可以减少导体的损耗。通常建议将太阳能板、充电控制器和电池彼此靠近放置，以避免使用过长的电线——过长的电线会导致更大的电力损耗，并降低太阳能系统的效率。
第六步：测试充电器
要在白天测试系统的充电功能，请按下太阳能充电控制器上的开启按钮。观察充电控制器上显示的电压。您还可以使用数字万用表或数字钳形表来监测电流。
您会观察到充电控制器显示电池和太阳能板的电压。当直流负载连接到系统时，充电控制器还会显示系统的负载电流。
当太阳能充电控制器上的12V电池达到约14V直流电压时，它将断开与太阳能板的充电，以防止电池过度充电。您可以通过监测太阳能板电压来观察这一点，在晴天，太阳能板的电压可能会超过16V直流。
接下来，使用USB A型连接器将USB设备或智能手机直接连接到太阳能充电控制器。USB端口提供5V直流电，由电池进行内部调节/降压。当您进行此操作时，您会注意到连接的设备开始充电。此外，您还可以观察到该负载所消耗的电流。
此外，该系统还可以通过USB接口以外的方式为设备供电；例如，您可以将12V接口用于直流灯泡、直流风扇等。您只需要将这些设备连接到充电控制器上的负载接口。充电控制器上的负载符号（例如灯泡）代表该接口。
您可以进一步改进这个自制项目，制作一个轻巧便携的平台，用于为智能手机和USB供电设备充电，而无需使用电池。但是，它只能在白天工作。
太阳能充电器的优点
这种太阳能供电的方案有助于提高设备的便携性，并减少对传统电力系统的依赖。太阳能充电还可以避免传统系统中交流到直流转换过程中产生的损耗，从而提高效率。在太阳能供电系统中，您无需面临这些损耗，因为所有的存储/充电都是在直流电下进行的；不过，可能需要进行升压或电压调节。
在家中使用太阳能，您可以大大减少电费开支。您还可以自己构建许多其他太阳能项目，例如太阳能路灯、太阳能泳池加热器、太阳能蓝牙扬声器等等。