利用太陽能、雨水勢能的便民充電系統(tǒng)研究

張教卿　李棒　王璽堅　童昕　王麗娟　王世軍

[摘要]為了克服手機突然沒電或一些用電裝備沒電的情況。太陽光的低利用率和在陰雨天氣不能發(fā)電的問題，特制作了一種新型雙節(jié)能的蓄電系統(tǒng)，該蓄電系統(tǒng)不僅通過照射在太陽能電池板上的太陽光得到充分利用，而且還運用光的反射原理使電池板周圍的太陽光盡量的反射到電池板上，增強了光照強度，除此之外，該蓄電系統(tǒng)還可以在雨天利用水滴傳感器在雨天進行發(fā)電，以此解決了我國南方地區(qū)多雨水天氣而不能靠電池板發(fā)電的問題。

[關鍵詞]雙節(jié)能；太陽能；雨水滴發(fā)電

[DOI]1013939/jcnkizgsc201630178

太陽能是地球上最直接、最普遍、最清潔的能源。太陽能作為一種巨大的可再生能源，每天到達地球表面的輻射量大約等于25億萬桶石油，可以說是取之不盡，用之不竭。

同樣我國南方降雨增多，雨量充足，雨水資源豐富，如果加以利用可以獲取大量的電能量。雨水收集發(fā)電具有非常積極的社會經(jīng)濟效益。通過雨水的收集充分利用了自然環(huán)境中的水資源，用以灌溉、洗車或作為其他生活用水。而通過雨水勢能發(fā)電無疑是一項最具前景的新能源開發(fā)技術。

雙節(jié)能供電裝置能夠利用太陽能和雨水勢能進行發(fā)電，解決了因雨天而不能靠太陽能發(fā)電的弊端，太陽光跟蹤系統(tǒng)隨時捕捉最有利的角度，提高了太陽能利用率，節(jié)約資源，保護了環(huán)境，具有節(jié)能減排的實質(zhì)性技術特點。

1雙節(jié)能供電裝置研制背景

隨著太陽能技術的發(fā)展及對太陽能認識水平的提高，太陽能發(fā)電已經(jīng)不僅僅只作為偏遠無電地區(qū)的能源供應，而正在向取代常規(guī)能源的方向發(fā)展。在國際上，太陽能發(fā)電已經(jīng)向并網(wǎng)發(fā)電領域開始發(fā)展。很多國家出現(xiàn)并形成了太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，并且出現(xiàn)了強勁的增長勢頭。

目前我國在太陽能發(fā)電領域發(fā)展迅速，但相比于國外仍有較大的差距，在我國，太陽能發(fā)電仍多限于獨立發(fā)電，而在國外已經(jīng)開始出現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，現(xiàn)在我國已經(jīng)成為世界最大的光伏電池生產(chǎn)國，但絕大部分出口到了歐美，而我國現(xiàn)在所生產(chǎn)的絕大部分電力來自非可再生能源，其中70%來自火電，這給我國未來能源的發(fā)展帶來了巨大的隱憂，同時也帶來了巨大的環(huán)境污染。新能源的發(fā)展顯得尤為迫切。

太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式：一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等；另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發(fā)電機發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電方式類似，不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。2005年我國首次在江蘇江寧建成了首座70kw太陽能熱發(fā)電示范系統(tǒng)，成功揭開了太陽能熱發(fā)電技術嶄新的一頁，為未來進一步實現(xiàn)大規(guī)模太陽能的推廣利用打下了良好基礎。

在雨水發(fā)電方面，我國主要利用收集落在高層建筑樓頂?shù)挠晁?，使其落下后沖擊發(fā)電機葉片，從而將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電項目。該裝置包括導流部分、雨水收集儲存部分、雨水過濾部分、雨水流通管道、發(fā)電部分。其中，雨水收集儲存部分設置在頂樓，在樓頂靠近邊緣的地方設計了導流口，雨水經(jīng)導流口進入收集儲存部分，收集儲存部分的內(nèi)部設有水位傳感器，當收集滿雨水時開啟閘門，使雨水進入流通管道，雨水流光后關閉閘門，繼續(xù)蓄水，直至蓄滿；在雨水收集儲存部分和雨水流通管道連接處設置雨水過濾部分，雨水過濾部分需定期清理，以保證整個裝置的正常運轉(zhuǎn)，雨水流通管道的正下方設置發(fā)電部分。發(fā)出的電力采用電就近使用的方式，可供樓道照明以及生活辦公使用，這減少了電力傳輸?shù)膿p耗，降低了輸配電的成本，提高了電力利用率。本項目結構簡單，使用方便，收集利用自然界的雨水發(fā)電，充分利用了雨水資源，既環(huán)保又經(jīng)濟。

2雙節(jié)能供電裝置的設計與展示

21整體展示

一個塑料制的圓臺反光裝置，將圓形的電池板鑲嵌在圓臺反光裝置內(nèi)，電池板與圓臺反光裝置的底面平行，電池板的正面對著圓臺反光裝置的廣口，在圓臺反光裝置的廣口到電池板之間的圓臺反光裝置內(nèi)壁貼上反光錫紙，根據(jù)光的反射原理使照射在圓臺反光裝置內(nèi)壁的陽光能夠充足反射到電池板上。同時該裝置上放有雨滴發(fā)電模塊利用雨水的重力作用和自由落體運動發(fā)電片發(fā)生形變便可產(chǎn)生電能并由后級模塊收集起來，以達到利用雨水發(fā)電的功能。圖1所示為系統(tǒng)的整體框架。

22功能模塊

221電能收集調(diào)理模塊

本模塊擬采用如圖所示方案通過電能檢測電路檢測蓄電池電量并且結合顯示模塊實時顯示。同時DC-DC模塊精確控制輸出電壓、電流，確保充電時對手機電池不造成傷害。如圖2所示。

222電器控制

光敏控制模塊步進電機，實現(xiàn)太陽光跟蹤。

223圓臺反射裝置和雨水收集裝置

圓臺反光裝置的斜面與電池板的平面的夾角為120度，反光裝置的高為10厘米，保證了垂直陽光照射時，反射光都能照在太陽能電池板上。有太陽光時，由于太陽光跟蹤系統(tǒng)，保證太陽能電池板的周圍的陽光始終反射到電池板上。當下雨時，由單片機控制步進電機運行，使太陽能圓臺反光裝置水平放置，這樣圓臺反光裝置就變成了雨水收集裝置，進而將雨水儲存到水箱，利用雨水的勢能為發(fā)電機發(fā)電做準備。

224顯示模塊（LCD）

本模塊擬采用如圖所示方案通過電能檢測電路檢測蓄電池電量并且結合顯示模塊實時顯示。同時DC-DC模塊精確控制輸出電壓、電流，確保充電時對手機電池不造成傷害。采用功耗比較低且?guī)ё謳斓目梢灾苯诱{(diào)用CGRAM的LCD12864作為顯示模塊，系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：①時間顯示。②收集到電量點顯示。③打開蓄電池的輸出顯示。④斷開蓄電池的輸出。

一級菜單：時間顯示，收集到電量點顯示及蓄電池的管理模塊，二級菜單：蓄電池的管理模塊中的打開蓄電池的輸出顯示及斷開蓄電池的輸出。

225旋轉(zhuǎn)模塊

旋轉(zhuǎn)模塊主要由舵機構成。舵機的角度為180度足夠滿足本系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角度，通過舵機一天選取固定的角度盡量大的使太陽能板朝著最大的光照方向獲取較大的電能。

226低功耗設計

低功耗設計并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設備溫度的降低，器件壽命則相應延長（半導體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半）。STM32單片機其低功耗這一方面已經(jīng)做得比較優(yōu)秀了，在以下方面我們將更加降低整個系統(tǒng)的功耗。

3發(fā)電模塊工作原理

當有陽光時，電池板能夠跟蹤太陽光，保證陽光始終垂直電池板，并且圓臺反光裝置可以使周圍的太陽光都能反射到電池板上，更高效率的利用太陽能。當遇到陰雨天或晚上時，利用光敏二極管結合單片機控制系統(tǒng)使電池板始終處于水平狀態(tài)，雨水擊打雨滴傳感器使其發(fā)生形變產(chǎn)生電能。

4結論

雙節(jié)能路燈的優(yōu)勢：節(jié)能一、利用光敏電阻控制模塊控制兩個步進電機實現(xiàn)太陽能電池板跟蹤太陽光，并利用光的反射原理使電池板周圍充足的太陽光反射到電池板上；節(jié)能二、利用雨水發(fā)電。另外，光敏控制模塊還可以自動控制路燈的亮滅。傳統(tǒng)太陽能路燈盡管是一類綠色節(jié)能產(chǎn)品，但其在連陰天氣，很難實現(xiàn)路燈的正常運行，特別是對于南方的多雨地區(qū)，亟須開發(fā)一種新型的節(jié)能路燈，而雙節(jié)能路燈綜合利用太陽能和雨水勢能，并且裝有太陽光跟蹤裝置，能有效的利用太陽能及雨水能，保護了環(huán)境，具有節(jié)能減排的顯著效果。

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