便攜式燒水給與發(fā)電兩用太陽(yáng)灶設(shè)計(jì)

王志成，王光偉，曹學(xué)聰，劉志發(fā)，陳 泰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

如今煤、石油、天然氣等化石燃料日益枯竭，開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源的任務(wù)十分迫切。其中，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能是緩解能源短缺、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑。太陽(yáng)灶是成熟的太陽(yáng)能熱利用裝置。市場(chǎng)上的太陽(yáng)灶大致分為箱式、平板式、聚光太陽(yáng)灶和室內(nèi)太陽(yáng)灶，前3種太陽(yáng)灶都需要在室外陽(yáng)光下進(jìn)行炊事操作，這些固定式太陽(yáng)灶大多放置在庭院內(nèi)，功能單一，主要用來(lái)燒水做飯[1]。在我國(guó)許多地區(qū)，固定式太陽(yáng)灶已得到推廣應(yīng)用[2]，但固定式太陽(yáng)灶比較笨重，占地面積大，移動(dòng)不方便，限制了其使用場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)一種便攜式發(fā)電與燒水兩用太陽(yáng)灶，該灶具有聚光燒水和光伏發(fā)電功能，外出野炊時(shí)能夠燒開(kāi)水和給手機(jī)充電，同時(shí)存儲(chǔ)備用電量。該太陽(yáng)灶設(shè)計(jì)成行李箱大小，方便出行攜帶。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，具有便攜、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在燒水的同時(shí)可給手機(jī)或充電寶充電，具有潛在的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成及設(shè)計(jì)

便攜式燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶采用STC89C52單片機(jī)作為微控制器，TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷太陽(yáng)能電池板充電程度。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，有豐富的寄存器資源和I/O接口資源，小巧靈活，功能強(qiáng)大，具有開(kāi)發(fā)周期短、穩(wěn)定可靠、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)[3]。機(jī)械結(jié)構(gòu)分為灶體和支架2部分。支架主要為鋁合金材料。

目前，市場(chǎng)上的固定式太陽(yáng)灶灶體均為金屬材質(zhì)，質(zhì)量和體積均較大。為了使太陽(yáng)灶易于攜帶，同時(shí)在適合汽車(chē)后備箱的尺寸情況下能夠較多地反射太陽(yáng)光，將太陽(yáng)灶體設(shè)計(jì)為半拋物面，降低灶體高度，方便操作。

設(shè)計(jì)灶體時(shí)，為確保灶體反射的太陽(yáng)光線匯聚到理想的位置，即半拋物面的焦線。半拋物面橫截面為拋物線，用公式x2=2py表示。在該拋物線中，焦點(diǎn)坐標(biāo)為（0，p/2）[4]。本灶體采用ABS塑膠材料，該材料具有耐熱性能高、抗沖擊性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是密度小，灶體重量輕，方便用戶(hù)使用。灶體表面采用PET鍍鋁反光膜，該膜有較強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度[5]，反光率達(dá)95%以上。對(duì)太陽(yáng)灶進(jìn)行戶(hù)外測(cè)試，當(dāng)太陽(yáng)灶對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，反射光成功地匯聚到預(yù)定區(qū)域[6]，對(duì)食品級(jí)不銹鋼管中的飲用水加熱。大約20 min管中的水即可燒開(kāi)。太陽(yáng)灶實(shí)物如圖1所示。

圖1 便攜式燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶實(shí)物圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)為：太陽(yáng)灶灶體、不銹鋼熱水管、灶體支架及硬件控制模塊等。其中硬件模塊主要包括：STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、光電傳感模塊、光伏發(fā)電模塊、光伏充電控制模塊、5V電壓充電模塊等。便攜式燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 便攜式燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶硬件組成框圖

2.1 DC-DC電壓變換模塊

為使鋰電池充放電更穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用了LTC3780自動(dòng)升降壓電源模塊和LM2596S DC-DC降壓電源模塊進(jìn)行DC-DC電壓變換。

LTC3780自動(dòng)升降壓電源模塊用于光伏充電，在光伏輸入電壓低于、高于、等于輸出電壓時(shí)，輸出電壓保持不變。當(dāng)輸入電壓為5～12 V時(shí)，可將該模塊輸出電壓設(shè)定為12 V并維持不變。在不同天氣或一天中不同時(shí)刻，太陽(yáng)光的輻照強(qiáng)度均不同[7]，太陽(yáng)能光伏板產(chǎn)生的電壓隨著太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化而變化。該模塊具有完善的保護(hù)功能，可穩(wěn)定地輸出電壓，正確給鋰電池充電。模塊采用陽(yáng)極氧化散熱片散熱，散熱效果比鋁片更佳，當(dāng)發(fā)生電壓飄移或短路等故障時(shí)指示燈提示，以便及時(shí)處理突發(fā)狀況，并且有恒壓、恒流、欠壓保護(hù)等功能。如輸入電壓為DC5～32V，輸出電壓為DC 1～30 V可調(diào)，最大輸出電流10A，最大輸出功率130 W，可在-45℃～85℃范圍內(nèi)正常工作。使用時(shí)，采用欠壓保護(hù)調(diào)整方法：調(diào)整欠壓保護(hù)電位器將輸入接穩(wěn)壓電源，調(diào)至10 V，故障時(shí)指示燈亮；鋰電池放電到10 V時(shí)自動(dòng)切斷供電，從而更好地保護(hù)電池，減少損耗，使太陽(yáng)灶擁有更長(zhǎng)的使用期限。

LM2596S DC-DC降壓電源模塊采用LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，該模塊可輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，具有良好的負(fù)載調(diào)節(jié)作用；同時(shí)，還可輸出1.25～30 V連續(xù)可調(diào)的電壓，內(nèi)部的振蕩頻率為150 kHz，效率高，功耗低，可滿足電路的供電。當(dāng)輸入12 V電壓時(shí)，調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)該模塊輸出穩(wěn)定的5 V電壓為電路供電。

2.2 電量采集和電壓監(jiān)測(cè)電路

系統(tǒng)需要對(duì)光伏電池輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止太陽(yáng)能光伏板對(duì)鋰電池過(guò)充電造成損壞。電壓監(jiān)測(cè)采用TI公司的TLC254312位串行A/D轉(zhuǎn)換器。由于串行輸入，該轉(zhuǎn)換器可節(jié)省STC89C51單片機(jī)的I/O接口資源[8]。將檢測(cè)電壓接入TCL2543模擬輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，把電壓以數(shù)字信號(hào)輸入到STC89C51單片機(jī)中，再由LCD1602液晶屏顯示當(dāng)前電壓及剩余電量。電量采集及電壓監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。

圖3 電量采集及電壓監(jiān)測(cè)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)編程采用Keil軟件，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，燒錄到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。便攜式燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成，使燒水發(fā)電效率達(dá)到最大，自給自足，不需要額外供電。本設(shè)計(jì)用2個(gè)光敏電阻采集光強(qiáng)，采用單端輸入的方式分別與2塊PCF8591芯片連接。光敏電阻在不同的光強(qiáng)下有不同的阻值，所以電壓值會(huì)相應(yīng)的變化。PCF8591芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這樣就可以通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)能利用率判斷并做出相應(yīng)的動(dòng)作。如果長(zhǎng)時(shí)間給鋰電池充電，會(huì)縮短電池的壽命，所以通過(guò)軟件判斷電池電量是否為100%，如果是，則停止充電；如果否，再次判斷電量是否小于30%，如果是，則開(kāi)始充電，否則進(jìn)行浮充。這樣既可以提高電池的使用壽命，也可以為電池的有效續(xù)航提供保障。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕、方便攜帶等預(yù)期效果。在天氣晴朗時(shí)，可同時(shí)完成燒水和發(fā)電。本設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題是聚光面較小，這導(dǎo)致了聚集的太陽(yáng)光不夠充足，難以短時(shí)間燒開(kāi)較多的飲用水，可考慮改進(jìn)為偏軸式聚光面[9]。另外控制電路板較大，集成度不高，還需要進(jìn)一步精簡(jiǎn)。本太陽(yáng)灶的成功設(shè)計(jì)及使用說(shuō)明了可以更加方便高效地利用太陽(yáng)能，太陽(yáng)能給人們的生活帶來(lái)更多的方便。在今后的研發(fā)過(guò)程中，應(yīng)在當(dāng)前太陽(yáng)灶聚光和發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化反光膜材質(zhì)、灶體以及控制電路，使太陽(yáng)灶的性能進(jìn)一步提升，更方便出行者使用。