一種太陽(yáng)能無(wú)線充電亭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫 彤 林佳穎 王諶澤 游國(guó)棟

（1.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222；2.天津科技大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300222）

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(yáng)能作為清潔能源已被廣泛應(yīng)用。隨著手機(jī)等電子設(shè)備的普及，人們出行時(shí)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(yáng)能將光能轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)保供電方式并結(jié)合時(shí)下流行的無(wú)線充電技術(shù)，為人們的出行提供便利。

通過光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)組成、開發(fā)條件、應(yīng)用規(guī)模等對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行探析[1]，如陳超超等人[2]對(duì)光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究；黃森等人[3]設(shè)計(jì)的智能語(yǔ)音控制的太陽(yáng)能無(wú)線充電裝置；于思博[4]設(shè)計(jì)的手機(jī)無(wú)線充電器；賈紅梅[5]對(duì)手機(jī)無(wú)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(shù)對(duì)手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究等。充分利用太陽(yáng)光，既會(huì)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(yáng)能無(wú)線充電亭外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

充電亭分為上下兩個(gè)區(qū)域，上部分為發(fā)電區(qū)，其中1 為可轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能電池板；2 為遮陽(yáng)棚；3 為L(zhǎng)ED 燈管；4 為亭子支柱，可連接上下兩部分。下部分為無(wú)線充電區(qū)，其中5為無(wú)線充電裝置，手機(jī)放在此裝置上即可實(shí)現(xiàn)充電；6 為充電桌，充電所需配置放置在桌子內(nèi)；7 為可供坐下休息的座椅。充電亭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 充電亭結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 自動(dòng)跟蹤模塊

該模塊由傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成。采用STC89C52 單片機(jī)作為主控制器、TLC7528 芯片作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器、TMC246 芯片作為驅(qū)動(dòng)器及28BYJ48 四相八拍步進(jìn)電機(jī)。

角度跟蹤：根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)算法即式（2-1）、式（2-2）計(jì)算太陽(yáng)的方位角與高度角，單片機(jī)信號(hào)處理后把脈沖信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，使其在高度角和方位角維度上同時(shí)追蹤以控制電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，最大程度讓電池板與太陽(yáng)光方向保持垂直。

太陽(yáng)高度角計(jì)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(yáng)時(shí)角。

太陽(yáng)方位角計(jì)算公式為：

式中α 為太陽(yáng)方位角。

光電跟蹤：利用東南西北四個(gè)方向的光敏傳感器檢測(cè)陽(yáng)光方位，光通過光敏傳感器采集信號(hào)，A/D 轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可直接處理的信號(hào)后傳給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信號(hào)后使步進(jìn)電機(jī)在角度跟蹤的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，保證太陽(yáng)能板與太陽(yáng)光垂直。自動(dòng)跟蹤模塊過程如圖2 所示。

2.1.2 儲(chǔ)電模塊

儲(chǔ)電模塊主要由穩(wěn)壓電路和鋰電池構(gòu)成。穩(wěn)壓電路以TD1410 芯片作為主控制，其轉(zhuǎn)化效率高且具有保護(hù)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(dá)上千次，此外選用CW1055ALCT 芯片作為保護(hù)芯片。

圖2 自動(dòng)跟蹤過程

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(shì)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(fù)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(chǔ)存的電能給LED 供電，從而實(shí)現(xiàn)照明。

2.2 無(wú)線充電系統(tǒng)

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電和磁在空間里的轉(zhuǎn)換和傳遞實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)射電路、接收電路以及穩(wěn)壓電路，總電路圖設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)等。輸入的220V 工頻交流電，經(jīng)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(huì)產(chǎn)生頻率為100KHz-200KHz 的高頻交流電，在經(jīng)過線圈后產(chǎn)生手機(jī)接收端線圈可感應(yīng)的高頻交變磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電系統(tǒng)的能量發(fā)射部分的設(shè)計(jì)。

2.2.2 接收器模塊

接收部分主要包括LC 諧振網(wǎng)絡(luò)、AC-DC 變換電路、檢測(cè)和控制電路及手機(jī)負(fù)載。LC 諧振網(wǎng)絡(luò)是為了從發(fā)射端產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)中獲取電能，并將該電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電，經(jīng)AC-DC 變換電路轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)的5V 直流電供手機(jī)負(fù)載使用。

圖3 無(wú)線發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能無(wú)線充電亭，采用雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)并與無(wú)線充電技術(shù)相結(jié)合。其致力于提供環(huán)?；菝竦某潆姺?wù)，可應(yīng)用于景區(qū)等人流大的地方，具有一定的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。