水浪發(fā)電裝置淺析

蒙奕多

（柳州市交通學(xué)校，廣西 柳州 545007）

世界各國目前主要以研究相對較高功率的海洋波浪能為主，而淡水表面小功率波浪能應(yīng)用研究成果較少，其中，淡水發(fā)電與海洋發(fā)電的區(qū)別在于淡水發(fā)電具有低電壓、功率小、可移動(dòng)、可存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

1 水浪發(fā)電裝置

水浪發(fā)電裝置的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用全PC/ABS材質(zhì)，由三部分組成，分別是液晶屏、PC/ABS外殼和安全隔離片組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分，即調(diào)壓系統(tǒng)、儲(chǔ)電系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)，擬定收集的淡水發(fā)電參數(shù)為8～12V直流波動(dòng)電壓和1A波動(dòng)電流。

（1）調(diào)壓系統(tǒng)：通過以LM2577芯片為主的集成電路，對收集的8～12V波動(dòng)直流電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓至12V，供儲(chǔ)電系統(tǒng)。

（2）儲(chǔ)電系統(tǒng)：選用TP5100芯片和鋰電池18650組成集成電路，12V的電壓輸入TP5100，其充電保護(hù)作用的同時(shí)，轉(zhuǎn)化成7.2～8.4V安全波動(dòng)電壓給鋰電池充電；18650型號(hào)的鋰電池自帶充、放電保護(hù)系統(tǒng)。

（3）檢測系統(tǒng)：選用STC 12c5a60s2芯片和LCD 1602液晶顯示組成集成電路，STC 12c5a60s2通過內(nèi)置反饋控制電壓和電流的檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LCD 1602液晶數(shù)據(jù)顯示，從而達(dá)到充電過程中相關(guān)參數(shù)的顯示。

（4）輸出系統(tǒng)：選用LM2596S芯片對進(jìn)行輸出降壓，使其達(dá)到5V穩(wěn)定電壓，滿足負(fù)載充電要求后，再通過USB接口輸出給負(fù)載。

2 外部結(jié)構(gòu)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，一般的儲(chǔ)電裝置要求外殼應(yīng)具有防火能力，且達(dá)到規(guī)定的阻燃等級(jí)。水浪發(fā)電裝置的外部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用全PC/ABS設(shè)計(jì)，PC即聚碳酸脂，ABS即丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）的共聚物，其具有較高的硬度、抗沖擊性、耐熱性等特點(diǎn)，安全隔離片用鋁合金材質(zhì)，增強(qiáng)了外部結(jié)構(gòu)的安全性。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（1）調(diào)壓系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)。調(diào)壓系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)應(yīng)用原理相似，都是通過芯片組合及其相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)升降壓，達(dá)到安全穩(wěn)定的輸出效果。水浪發(fā)電裝置適合采用LM2577作為調(diào)壓系統(tǒng)的主要芯片，實(shí)現(xiàn)將8～12V的輸入電壓升至12V；LM2596作為輸出系統(tǒng)的主要芯片，實(shí)現(xiàn)將7.2～8.4V的電壓穩(wěn)定為5V輸出給負(fù)載。

LM2577是一款可自動(dòng)升降壓的開關(guān)電壓調(diào)整器，可調(diào)節(jié)輸出電壓。其電壓輸入范圍是3.5～40V，額定電流為1A，最大可輸出電壓為60V，根據(jù)其封裝特性采用LM2577s型號(hào)，即TO-263封裝，該芯片有軟啟動(dòng)功能，可防止啟動(dòng)電流過大、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、低壓失步保護(hù)等。

LM2596是一個(gè)降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，可提供3.3V、5V、12V及可調(diào)（-ADJ）等多個(gè)電壓檔次，輸出電流最大為3A，由于它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，決定了它的功能較一般降壓芯片而言更強(qiáng)大。采用LM2596作為輸出系統(tǒng)的主要芯片，輔以少數(shù)的外圍器件，構(gòu)成了高效的穩(wěn)壓電路，LM2596將TP5100輸出7.2～8.4V電壓作為輸入電壓，輸出穩(wěn)定5V、I≤3A電能參數(shù)供給負(fù)載，其特性如下：①特定條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%內(nèi)；②保護(hù)功能強(qiáng)大，即一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路；③可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V±4%，且輸出線性好、負(fù)載可調(diào)節(jié)；④封裝形式：TO-220（T）和TO-263（S）。

（2）LM2596和LM2577。同樣是開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，LM2596也可以輸出3.3V、5V、12V穩(wěn)壓，其優(yōu)點(diǎn)與LM2577相似，都具有安全性高、可拓展外圍高效電路的特點(diǎn)，但兩者差別在于功能不同，LM2577是一個(gè)升壓型集成芯片，即將波動(dòng)電壓升到固定值，輸出給負(fù)載；而LM2596是降壓型穩(wěn)壓芯片，即將波動(dòng)電壓降到固定值，爾后輸出給負(fù)載。水浪發(fā)電裝置的調(diào)壓系統(tǒng)要求輸入電壓是8～12V，輸出要求是12V，用LM2577芯片即可達(dá)到要求，LM2596可作為負(fù)載的降壓輸出系統(tǒng)，輸出5V穩(wěn)定電壓，以滿足輸出系統(tǒng)要求。

（3）儲(chǔ)電系統(tǒng)。水浪發(fā)電裝置的儲(chǔ)電系統(tǒng)由TP5100和鋰電池組成。TP5100將12V電壓調(diào)成7.2～8.4V供鋰電池安全充電。一般鋰電池都需要設(shè)計(jì)充放電保護(hù)電路，否則，很容易造成短路、電池過熱、芯片損壞、電路癱瘓等安全隱患。

TP5100是一款開關(guān)降壓型充電管理芯片，其輸入電壓為5～18V，最大充電電流可達(dá)2A，能供雙節(jié)4.2V鋰電池安全充電，QFN16超小型封裝與簡單的外圍電路非常適用于便攜式設(shè)備的大電流充電管理應(yīng)用，滿足輸出為3A的負(fù)載電路輸出要求。TP5100內(nèi)置具有輸入過流、電池反接保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、電池溫度監(jiān)控、芯片過溫保護(hù)等功能。TP5100其充電工作原理包括涓流預(yù)充、恒流、恒壓三個(gè)階段，頻率400kHz的開關(guān)工作模式，使它可以在大電流的充電過程中仍保持較小的發(fā)熱量，通過較小的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)。由于自身內(nèi)置有防倒灌電路、功率PMOSFET，因此，無須防倒灌肖特基二極管等外圍保護(hù)就可以達(dá)到安全要求。儲(chǔ)電系統(tǒng)適合采用TP5100作為鋰電池的充電保護(hù)電路，12V的電壓供給TP5100工作，輸出7.2～8.4V電壓，供鋰電池安全充電，其他特性如下：

①可編程充電電流：0.1～2A；②可編程預(yù)充電電流：10%～100%；③寬工作電壓，最大達(dá)到18V；④紅綠LED充電狀態(tài)指示；⑤過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、芯片溫度保護(hù)；⑥電池溫度保護(hù)、短路保護(hù)、電池反接停機(jī)；⑦PWR_ON-電源、電池供電切換控制；⑧小于1%的充電電壓控制精度；⑨靜態(tài)輸入電源電壓（VIN）：20V。

鋰電池即指一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào)，常見的18650電池分為鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池，18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，“0”表示為圓柱形電池。采用鋰電池18650作為儲(chǔ)電系統(tǒng)，其保護(hù)電路可通過8205A實(shí)現(xiàn)。8205A屬于共漏極N溝道增強(qiáng)型功率場效應(yīng)管，具有快速開關(guān)、超低導(dǎo)通電阻和高性價(jià)比的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于電源管理、負(fù)載開關(guān)、鋰電池充電保護(hù)等。

（4）檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)是都是通過信號(hào)反饋給單片機(jī)，檢測數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。由STC 12C5A60S2和LCD 1602組成的檢測系統(tǒng)，通過STC 12C5A60S2采集電壓數(shù)據(jù)和檢測，進(jìn)而將電壓參數(shù)顯示在LCD 1602液晶屏上，信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)分解、正負(fù)對比（防止負(fù)數(shù)）、計(jì)算功率和數(shù)字顯示，結(jié)合運(yùn)放電路進(jìn)行計(jì)算電流，從而顯示在LCD液晶屏上，實(shí)現(xiàn)顯示電壓、電流、功率、計(jì)數(shù)。

STC 12C5A60S2單片機(jī)具有雙串口、高速、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，較于51系列單片機(jī)，STC單片機(jī)的IO口還可以定義成四種狀態(tài)，同樣晶振的情況下，速度是普通51單片機(jī)的8—12倍，且內(nèi)置自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)和MAX810，多了兩個(gè)定時(shí)器、2路PWM功能、SPI接口、EEPROM、1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM、WATCH_DOG等優(yōu)勢，無需附加設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路。

4 結(jié)語

我國作為豐富的淡水國家，水浪能量充足，對其進(jìn)行開發(fā)既可響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，又可通過國內(nèi)優(yōu)勢開創(chuàng)中小型功率電能的應(yīng)用。水浪發(fā)電裝置針對國內(nèi)淡水能量的特點(diǎn)，運(yùn)用國內(nèi)單片機(jī)的集成電路，對波動(dòng)電能進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，使其適用于中小型電子產(chǎn)品充電，具有低損耗、用途廣、成本低的特點(diǎn)，值得持續(xù)研究發(fā)展。