一種便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院■王光偉 王志成 曹學(xué)聰 劉志發(fā) 陳泰

0 引言

如今，能源短缺和環(huán)境污染是亟需解決的全球性問(wèn)題。化石燃料趨向枯竭，開(kāi)發(fā)利用綠色可再生能源的任務(wù)十分迫切。其中，太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，且具備可再生、分布地域廣、清潔無(wú)污染、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的新能源。開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用技術(shù)和裝置是應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)能源緊張、溫室效應(yīng)及環(huán)境污染等問(wèn)題的有效途徑。在太陽(yáng)能應(yīng)用方面，固定式太陽(yáng)灶是較為成熟的產(chǎn)品，在我國(guó)許多地區(qū)已得到推廣應(yīng)用[1]。然而固定式太陽(yáng)灶笨重、占地面積大、外出攜帶不方便的特點(diǎn)，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。

本文提出了一種便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶，實(shí)現(xiàn)了仰角跟蹤太陽(yáng)、聚光燒水和光伏發(fā)電的功能。該太陽(yáng)灶的大小與拉桿行李箱相當(dāng)，可放置于汽車(chē)后備箱，出行攜帶方便；聚光產(chǎn)生高溫，可以在外出野炊時(shí)燒開(kāi)水；利用非晶硅薄膜光伏組件發(fā)電，由控制模塊通過(guò)USB口輸出5 V直流電壓，可為手機(jī)充電；鋰電池存儲(chǔ)的電能還可為系統(tǒng)供電，無(wú)需外部電源。與傳統(tǒng)太陽(yáng)灶相比，本裝置便攜、節(jié)能、環(huán)保、可充電，具有潛在的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與初測(cè)

為了方便攜帶、能適合汽車(chē)后備箱尺寸且可以匯聚更多太陽(yáng)光，便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶應(yīng)運(yùn)而生。該太陽(yáng)灶采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心，此單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一款低功耗、高性能的基于CMOS的 8位微控制器，具有寄存器和I/O接口資源豐富、小巧靈活、功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)周期短、穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]，其控制電機(jī)的進(jìn)退以調(diào)整太陽(yáng)灶的仰角；采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器采集非晶硅薄膜光伏組件的電壓數(shù)據(jù)，以此判斷其對(duì)鋰電池的充電量；機(jī)械結(jié)構(gòu)分為灶體和鋁合金支架，支架支撐灶體和直流推桿電機(jī)。

該太陽(yáng)灶將灶體設(shè)計(jì)為半拋物面，以降低灶體高度，便于操作。設(shè)計(jì)灶體時(shí)，要確保灶面反射光匯聚到半拋物面的焦線附近，半拋物面的橫截面是拋物線，可用公式x2=4fy表示，拋物線的焦點(diǎn)坐標(biāo)為(0,f)[3]。灶體材料采用ABS塑膠，該種材料的耐熱性能好、抗沖擊能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、密度小、重量輕，方便用戶攜帶。灶體表面黏貼PET真空鍍鋁反光膜，有較強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度，反光率可達(dá)95%以上[4-5]。

在戶外對(duì)該太陽(yáng)灶進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)太陽(yáng)光直射灶體時(shí)，反射光匯聚到焦線附近，形成明亮的焦斑，對(duì)食品級(jí)不銹鋼管中的水進(jìn)行加熱，大約20 min便可將管中的水燒開(kāi)。同時(shí)，灶體兩翼的非晶硅薄膜光伏組件可產(chǎn)生電能，經(jīng)過(guò)控制和變換后，可輸出恒定的5 V電壓。

2 系統(tǒng)硬件組成

本太陽(yáng)灶由鋁合金支架、拋物面灶體、食品級(jí)不銹鋼加熱管、單軸自動(dòng)跟蹤裝置、硬件模塊組成。其中，硬件模塊包括：STC89C51單片機(jī)、光電傳感模塊、光伏發(fā)電模塊、光伏充電控制模塊、5 V電壓輸出模塊(可給手機(jī)或充電寶充電)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶的硬件組成框圖

2.1 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊

為使鋰電池充放電更穩(wěn)定，采用了LTC3780自動(dòng)升降壓電源模塊和LM2596S DC/DC降壓電源模塊來(lái)完成DC/DC電壓轉(zhuǎn)換。

不同的日期、一天中不同的時(shí)刻，太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度都不相同[6]，而薄膜光伏組件輸出的電壓會(huì)隨太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化而不同。DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊采用LTC3780自動(dòng)升降壓電源模塊控制光伏組件的充電功能，在薄膜光伏組件輸出電壓波動(dòng)時(shí)，能維持電壓恒定，如光伏組件輸出電壓在5～12 V范圍內(nèi)時(shí)，該模塊輸出電壓為12 V。LTC3780模塊具有保護(hù)功能，可保證鋰電池不過(guò)充；其采用陽(yáng)極氧化散熱片散熱，相比鋁片有更佳的散熱效果；指示燈會(huì)在電壓飄移和出現(xiàn)短路等故障時(shí)亮起，提示有突發(fā)狀況需處理；并且還具有過(guò)壓、欠壓保護(hù)等功能。當(dāng)外部輸入電壓為DC 5～32 V時(shí)，輸出電壓為DC 1～30 V可調(diào)，最大輸出電流為10 A，最大輸出功率為130 W，在-45～85 ℃的溫度范圍內(nèi)可正常工作。轉(zhuǎn)換模塊使用時(shí)，用欠壓保護(hù)調(diào)整方法，即調(diào)節(jié)欠壓保護(hù)電位器，將輸入端接穩(wěn)壓電源，將欠壓保護(hù)電位器調(diào)至10 V，直到故障指示燈亮起，提示鋰電池放電已到10 V，此時(shí)必須自動(dòng)切斷供電，才可更好地保護(hù)鋰電池，減少損耗，延長(zhǎng)壽命，總體上使太陽(yáng)灶有更長(zhǎng)的使用壽命。

LM2596S DC/DC降壓電源模塊采用LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流，具有良好的負(fù)載調(diào)節(jié)功能。該模塊還可輸出1.25～30 V連續(xù)可調(diào)的電壓，內(nèi)部振蕩頻率為150 kHz，功耗低、效率高，可滿足電路的供電要求。當(dāng)輸入電壓為12 V時(shí)，調(diào)節(jié)電位器使該模塊輸出穩(wěn)定的5 V電壓，為系統(tǒng)供電。

2.2 鋰電池電量和電壓監(jiān)測(cè)模塊

系統(tǒng)需要對(duì)薄膜光伏組件輸出的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防止光伏組件對(duì)鋰電池過(guò)充電或反充電。電壓監(jiān)測(cè)采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，由于串行輸入，可節(jié)省STC89C51單片機(jī)的I/O接口資源[7]。將需要監(jiān)測(cè)的電壓接入TCL2543的模擬輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，電壓以數(shù)字信號(hào)傳入STC89C51單片機(jī)中，由LCD1602液晶屏顯示當(dāng)前電壓及鋰電池剩余電量。鋰電池電量和光伏組件輸出電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單軸跟蹤模塊

電機(jī)采用12 V的直流推桿電機(jī)，通過(guò)MC33886芯片內(nèi)部的H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。MC33886芯片是飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成H橋驅(qū)動(dòng)芯片，最大驅(qū)動(dòng)電流為5 A，導(dǎo)通電阻約140 mΩ，輸出脈寬調(diào)制(PWM)頻率為10 kHz，發(fā)熱量小。MC33886應(yīng)用簡(jiǎn)便，通過(guò)4根輸出線控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，可提示欠壓、短路、過(guò)熱等故障狀態(tài)。

H橋電路原理圖如圖3所示。當(dāng)雙極晶體管Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止時(shí)，電機(jī)M正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4截止時(shí)，電機(jī)M反轉(zhuǎn)；當(dāng)4個(gè)晶體管均截止時(shí)，電極M停轉(zhuǎn)。通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)控制拉伸桿的伸縮，以實(shí)現(xiàn)灶體仰角的變化。

圖3 H橋電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用keil軟件平臺(tái)，用C語(yǔ)言編程，燒錄到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶需要光伏發(fā)電系統(tǒng)和仰角跟蹤系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，使燒水、發(fā)電效率最大，以便達(dá)到“自給自足，不需要外加電源”的目的。用2個(gè)光敏電阻采集太陽(yáng)光強(qiáng)，采用單端輸入分別與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，電壓值也會(huì)相應(yīng)變化。PCF8591芯片將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)由單片機(jī)判斷并做出相應(yīng)的動(dòng)作。在電路中，2個(gè)光敏電阻采集到的光強(qiáng)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換產(chǎn)生V1與V2兩個(gè)電壓值。在程序中，通過(guò)判斷V1與V2的大小產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。具體操作為：當(dāng)V1＞V2時(shí)，電機(jī)M正轉(zhuǎn)；當(dāng)V1＜V2時(shí)，電機(jī)M反轉(zhuǎn)。程序里設(shè)置了中斷定時(shí)器，每隔0.5 s系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)1次光強(qiáng)；為了解決電機(jī)在臨界值附近的抖動(dòng)，系統(tǒng)還設(shè)定了10 min的延時(shí)，有效解決了這一問(wèn)題。通過(guò)電機(jī)控制拉伸桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)了仰角的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可使太陽(yáng)灶受光面積達(dá)到最大，以提高太陽(yáng)能利用率。

如果長(zhǎng)時(shí)間給鋰電池充電，會(huì)縮短其壽命，因此，為延長(zhǎng)鋰電池的續(xù)航能力和使用壽命，軟件會(huì)判斷鋰電池電量是否為100%。如果判斷結(jié)果為“是”，停止充電；如果為“否”，再判斷電量是否小于30%，如果為“是”，立即開(kāi)始充電，為“否”，則進(jìn)行浮充。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 存在的問(wèn)題及展望

本太陽(yáng)灶實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕、方便攜帶等預(yù)期的效果，在天氣晴朗時(shí)，可同時(shí)完成燒水和發(fā)電兩項(xiàng)任務(wù)。產(chǎn)品實(shí)物如圖5所示。但本設(shè)計(jì)也存在一些問(wèn)題，比如，較小的聚光面導(dǎo)致聚集的太陽(yáng)光不夠充足，難以短時(shí)間燒開(kāi)較多的飲用水；另外，控制電路板較大，集成度不高，需要進(jìn)一步精簡(jiǎn)。智能太陽(yáng)灶目前只能做到仰角追光，而隨著太陽(yáng)方位的變化，需要手動(dòng)移動(dòng)太陽(yáng)灶，才能更好地匯聚太陽(yáng)光，以便更有效地?zé)桶l(fā)電。

本太陽(yáng)灶的成功設(shè)計(jì)及使用，可更加方便、高效地利用太陽(yáng)能。在今后的研發(fā)中，在保證當(dāng)前太陽(yáng)灶聚光和發(fā)電功能的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步優(yōu)化反光膜材質(zhì)和灶體，控制系統(tǒng)集成化，使太陽(yáng)灶的性能得到進(jìn)一步的提升，更加方便出行者攜帶和使用。

圖5 便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種便攜式單軸自動(dòng)跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽(yáng)灶。本設(shè)計(jì)采用半拋物面作為太陽(yáng)灶灶體，焦線位置加裝食品級(jí)不銹鋼加熱管，在太陽(yáng)灶的兩翼安裝薄膜光伏組件以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，電機(jī)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)仰角追光，使燒水和發(fā)電效率趨近最大。在戶外野炊時(shí)，該太陽(yáng)灶能夠滿足人們飲用開(kāi)水的需求，借助于光伏發(fā)電，還可為出行者提供備用電源，避免手機(jī)電量不足帶來(lái)的麻煩。隨著民眾不斷追求更高的生活品質(zhì)，該設(shè)計(jì)可為出行野炊提供更多的選擇。