一種太陽能無線充電亭的設計與實現(xiàn)

孫彤 林佳穎 王諶澤 游國棟

摘 要 針對當前日益匱乏的能源危機以及出行時公共場所充電不方便問題，本文基于可再生的太陽能發(fā)電設計了一種手機無線充電亭，并與安全環(huán)保的LED燈相結合，既解決了人們出行時手機電量不夠用的問題，又能在光強不足時提供照明。此充電亭采用光電跟蹤與角度跟蹤相結合的雙軸跟蹤模式，能夠最大效率地實現(xiàn)光電轉換。此外，充電亭的圓桌設計不僅滿足人們的充電需求，還能讓人們坐下休息聊天，促進人與人之間的交流。

關鍵詞 光伏發(fā)電 充電亭 無線充電 自動跟蹤

中圖分類號：TK51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0009-02

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，可再生能源的開發(fā)與利用受到高度重視，太陽能作為清潔能源已被廣泛應用。隨著手機等電子設備的普及，人們出行時電量不足的問題愈加顯著，在此背景下，本文研制一款利用太陽能將光能轉化為電能的環(huán)保供電方式并結合時下流行的無線充電技術，為人們的出行提供便利。

通過光伏發(fā)電結構組成、開發(fā)條件、應用規(guī)模等對其發(fā)展前景進行探析[1]，如陳超超等人[2]對光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)的研究;黃森等人[3]設計的智能語音控制的太陽能無線充電裝置;于思博[4]設計的手機無線充電器;賈紅梅[5]對手機無線充電系統(tǒng)的研究;馬赟馨等人[6]基于磁耦合共振傳輸技術對手機無線充電系統(tǒng)的設計與研究等。充分利用太陽光，既會降低城市能源的使用成本，又能讓城市可持續(xù)發(fā)展。

1 太陽能無線充電亭外形結構設計

充電亭分為上下兩個區(qū)域，上部分為發(fā)電區(qū)，其中1為可轉動太陽能電池板;2為遮陽棚;3為LED燈管;4為亭子支柱，可連接上下兩部分。下部分為無線充電區(qū)，其中5為無線充電裝置，手機放在此裝置上即可實現(xiàn)充電;6為充電桌，充電所需配置放置在桌子內;7為可供坐下休息的座椅。充電亭結構示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 自動跟蹤模塊

該模塊由傳感器、A/D轉換器、單片機、驅動器、兩個步進電機等構成。采用STC89C52單片機作為主控制器、TLC7528芯片作為數(shù)模轉換器、TMC246芯片作為驅動器及28BYJ48四相八拍步進電機。

角度跟蹤：根據(jù)太陽運動算法即式（2-1）、式（2-2）計算太陽的方位角與高度角，單片機信號處理后把脈沖信號傳遞給驅動器來驅動兩個步進電機，使其在高度角和方位角維度上同時追蹤以控制電池板轉動，最大程度讓電池板與太陽光方向保持垂直。

太陽高度角計算公式為：

式中θ為高度角;γ為緯度值;δ為赤緯角;ε為太陽時角。

太陽方位角計算公式為：

式中α為太陽方位角。

光電跟蹤：利用東南西北四個方向的光敏傳感器檢測陽光方位，光通過光敏傳感器采集信號，A/D轉換后轉變?yōu)閱纹瑱C可直接處理的信號后傳給單片機，驅動器接收脈沖信號后使步進電機在角度跟蹤的基礎上進行微調，保證太陽能板與太陽光垂直。自動跟蹤模塊過程如圖2所示。

2.1.2 儲電模塊

儲電模塊主要由穩(wěn)壓電路和鋰電池構成。穩(wěn)壓電路以TD1410芯片作為主控制，其轉化效率高且具有保護電路，能將電池板輸出為穩(wěn)定的5V/2A電壓電流。選用三節(jié)3400mA鋰電池，并聯(lián)后為10200mA，充放電次數(shù)可達上千次，此外選用CW1055ALCT芯片作為保護芯片。

2.1.3 照明模塊

照明模塊選用具有發(fā)光效率高、環(huán)保安全等優(yōu)勢的LED燈。采用并行連接方式，將電流分配到各支路中，并將其電源與蓄電池的正負極相連接，保證LED總額定電壓與鋰電池輸出電壓5V相同以避免燈被燒壞，利用白天鋰電池儲存的電能給LED供電，從而實現(xiàn)照明。

2.2 無線充電系統(tǒng)

根據(jù)電磁感應原理，電和磁在空間里的轉換和傳遞實現(xiàn)能量的傳輸。主要結構包括發(fā)射電路、接收電路以及穩(wěn)壓電路，總電路圖設計如圖3所示。

2.2.1 發(fā)射電路模塊

發(fā)射電路包括整流濾波、DC-DC變換電路、高頻逆變電路、LC諧振網絡等。輸入的220V工頻交流電，經過整流濾波以及DC-DC降壓成5V穩(wěn)定直流電供給高頻逆變電路使用，會產生頻率為100KHz-200KHz的高頻交流電，在經過線圈后產生手機接收端線圈可感應的高頻交變磁場以實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的能量發(fā)射部分的設計。

2.2.2 接收器模塊

接收部分主要包括LC諧振網絡、AC-DC變換電路、檢測和控制電路及手機負載。LC諧振網絡是為了從發(fā)射端產生的高頻交變磁場中獲取電能，并將該電能轉換為高頻交流電，經AC-DC變換電路轉換成平穩(wěn)的5V直流電供手機負載使用。

3 結語

本文設計了一種太陽能無線充電亭，采用雙軸自動跟蹤系統(tǒng)并與無線充電技術相結合。其致力于提供環(huán)保惠民的充電服務，可應用于景區(qū)等人流大的地方，具有一定的應用前景和發(fā)展空間。

參考文獻：

[1] 張學銘.太陽能發(fā)電技術綜合評價及應用前景探析[J].中國設備工程，2019（12）：19-20.

[2] 陳超超，朱珠.光伏充電樁自動跟蹤系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新，2017（10）：41.

[3] 黃森，李傳博，宋欣坷.智能化太陽能無線充電裝置設計[J].電子測試，2020（17）：11.

[4] 于思博.手機無線充電器的設計[J].電子技術與軟件工程，2019（08）：97.

[5] 賈紅梅.手機無線充電系統(tǒng)的研究[D].安徽：安徽工業(yè)大學，2017.

[6] 馬赟馨，謝妍.基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統(tǒng)的設計與研究[J].電子世界，2017（09）：7-10.

1.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222;2.天津科技大學 藝術設計學院，天津 300222