便攜式太陽能電源的設(shè)計(jì)

易運(yùn)池 楊學(xué)坤北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院

引言：人們出門在外，最大的問題就是手機(jī)等電子產(chǎn)品的電能消耗完了，但是卻沒有可以快速直接的供電電源，本文設(shè)計(jì)了一種電源，便于隨車或者隨身攜帶，它既可以按光線精準(zhǔn)自動(dòng)識(shí)別還可以按時(shí)間模糊追蹤太陽光線[1]的便攜式太陽能電源，另外還可以通過電網(wǎng)為其充電。所設(shè)計(jì)液晶顯示部分，用來顯示當(dāng)前的充放電狀態(tài)和電量大小。它不僅能為手機(jī)（DC+5V）等電子產(chǎn)品充電，還能作為一般的電源(AC220V、50HZ)來使用。

一、便攜式太陽能電源的組成及各部分作用 [3]

太陽能電池板：把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。蓄電池：存儲(chǔ)來自電網(wǎng)或者太陽能電池的電能。單片機(jī)：對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行控制。液晶顯示屏：顯示當(dāng)前充放電狀態(tài)和電量。電機(jī)：帶動(dòng)電池板追光。轉(zhuǎn)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸套：支撐和控制電池板運(yùn)行方向。充電與逆變控制器：控制充電及直流電變成交流電。光線傳感器：自動(dòng)追光時(shí)對(duì)電池板進(jìn)行自動(dòng)定位。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）主要硬件選擇

1.太陽能板的選擇

考慮到需要攜帶方便將太陽能板設(shè)計(jì)為可折疊式并需要與之配電套的金屬可折疊支架，太陽能板具體參數(shù)為：展開尺寸：635mm＊285mm＊10mm；折疊尺寸： 210mm＊285mm＊20mm；太陽能板重678g；太陽能功率： 16W；DC輸出電壓/電流： 18V / 0.9A（Max）。（所列參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)陽光 1000W / 平方的條件測(cè)得）

2.蓄電池的選擇

蓄電池選擇常規(guī)的12V17Ah/20HR容量的蓄電池，其具體參數(shù)為：容量范圍：12V17Ah/20HR；電壓等級(jí)：12V；設(shè)計(jì)浮充壽命：在25℃±5℃環(huán)境下，12V系列為15年；循環(huán)壽命：在標(biāo)準(zhǔn)使用條件下，循環(huán)2950次；自放電率：≤2% / 月；工作溫度范圍寬：-20℃～55℃。

3.單片機(jī)的選擇[3]

選擇STC12C5A60S2/AD/PWM系列的單片機(jī)，選用的單片機(jī)控制板，額定電壓： 12V額定電流： 10mA 最大電流： 0.8A 端口數(shù)量： 32。

4.液晶顯示屏的選擇

選用12232帶字庫串口液晶屏。

5.電機(jī)

定制12V蝸桿減速電機(jī)。減速電機(jī)主要參數(shù)：空載電流：≤60mA;空載轉(zhuǎn)速： 1 rpm;額定轉(zhuǎn)矩： 30Kg/cm;額定轉(zhuǎn)速： 1 rpm;額定電流： ≤0.6A;最大轉(zhuǎn)矩： 30Kg/cm; 停轉(zhuǎn)電流： 1.5A。

6.逆變器的選擇[4]

逆變器主要參數(shù)： 18V / 100～150W; 逆變器輸出電壓：AC220V ±5%; 持續(xù)功率： 350W; 峰值功率： 500W; 無負(fù)載電流：＜0.5A; 直流輸入電壓：DC9.7～15.5V; 輸出頻率： 50Hz ±3Hz;轉(zhuǎn)換效率： ＞90%; 高壓切斷： 15V ±0.5V; 低壓報(bào)警： 11.2V±0.3V; 低壓切斷： 10V ±0.3V; 過載/短路保護(hù)；工作環(huán)境溫度：-20℃ ～ +70℃; 相對(duì)濕度： ＜90%RH;產(chǎn)品重量：1.15Kg。

7.USB的選擇

USB輸出能力： 5V ±0.3V / 1000Ma。

（二）硬件設(shè)計(jì)

1.外形設(shè)計(jì)

為了便于攜帶和操作，選用一個(gè)2OL的塑料箱來承裝所有設(shè)備，一個(gè)6L的塑料箱作為便攜式箱體，在便攜式箱體上開孔來安裝插孔、接頭等，再在其扣蓋上開按鈕、顯示屏、傳輸口、安裝支架等。如下圖2所示。

圖2便攜式太陽能電源外形圖

2.電路設(shè)計(jì)

輸入部分電路：電池、電源電路、電池電壓檢測(cè)電路、按鍵輸入電路、逆變輸出電路、光線傳感電路等。

控制器：?jiǎn)纹瑱C(jī)

輸出部分電路：顯示電路、電機(jī)與控制電路

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

追光方式分為根據(jù)光強(qiáng)度追光和根據(jù)時(shí)間值追光，由控制開關(guān)與按鈕手動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

第一種方案：當(dāng)天氣晴朗、電源所放置地點(diǎn)空曠無遮擋物時(shí)，根據(jù)光強(qiáng)度追光，此時(shí)系統(tǒng)通過支架上探頭的數(shù)值將支架自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至光照度最強(qiáng)的角度，完成根據(jù)光強(qiáng)度追光功能。

第二種方案：當(dāng)天氣陰晴不定、電源所放置地點(diǎn)有遮擋物時(shí)，通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備將太陽能板對(duì)準(zhǔn)太陽所在的角度后，按下右側(cè)方形按鈕一次后，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，每40分鐘后，支架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10度，完成根據(jù)時(shí)間追光的功能。

（二）程序設(shè)計(jì)

程序利用C語言進(jìn)行編寫。

四、效果

此電源電池容量：17000mAh；外殼材質(zhì)ABS+PC/防火；工作溫度放電：-20℃到60℃、充電：0℃到45℃；USB1:5V/1A(智能識(shí)別充電，兼容性強(qiáng))；AC接口：220v/50Hz/持續(xù)300W，最大500W；電池電量顯示液晶屏顯示 0% ― 100%；尺寸長(zhǎng)寬高260＊110＊135mm；重量：凈重約3.6KG。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，電源在工作過程中，除了維持自身轉(zhuǎn)動(dòng)需要的電能外，還能儲(chǔ)存電能。下表1為2019年6月22日在學(xué)校操場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)。

表1 2019年6月22日電源工作情況

五、展望

由于太陽能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)需要消耗一定的電能，為了減少損耗，需要選用質(zhì)量小的太陽能電池板，轉(zhuǎn)動(dòng)軸可以從多方面改進(jìn)。