太陽能便攜式野外供電器的設(shè)計

范　英，　華權(quán)冰，　馮德思，　周世磊

(廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣東　廣州　510515)

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太陽能便攜式野外供電器的設(shè)計

范英，華權(quán)冰，馮德思，周世磊

(廣東機電職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州510515)

摘要：設(shè)計一種供電器，由太陽能光伏電池提供電源，經(jīng)過DC/DC變換后輸出穩(wěn)定的直流電，輸入充放電控制器控制鋰電池的充放電，同時滿足負載的用電，實現(xiàn)照明、滅蚊、音樂播放、手機充電、紅外報警的功能。制作的樣機測試表明該供電器具備便攜、多功能的特點，適用于野外旅行等場合。

關(guān)鍵詞：太陽能； 多功能； 供電器； 野外

近年來,光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速, 光伏產(chǎn)品改變著我們的生活，出現(xiàn)了太陽能路燈、太陽能LED屏幕、太陽能充電器等,無處不在的太陽能可以在需要用電而沒有可用大電網(wǎng)電源的時候利用起來[1]。另外,戶外野營成為許多年輕人的愛好,野營地遠離生活區(qū),沒有供電網(wǎng),那么將太陽能利用起來為野營提供可移動的電源無疑是相當實用的。本文設(shè)計的便攜式太陽能野外供電器,集照明、滅蚊、音樂播放、手機充電、紅外報警多功能于一體,既能滿足野營愛好者的照明需求,又能保護野營愛好者的人身安全,還能帶給野營愛好者輕松、愉快、浪漫的感受,極度符合現(xiàn)代人的休閑消費觀。

1總體設(shè)計

便攜式太陽能野外供電器的系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)將多塊太陽能電池片串并聯(lián)作為電源，在白天陽光充足時發(fā)出的電能一部分通過太陽能充放電控制器給蓄電池供電，另一部分經(jīng)過DC/DC升降壓后直接供給負載用電；在陽光不充足的陰雨天或夜晚時，負載由蓄電池供電。太陽能電池與蓄電池之間采用的充放電控制器能夠根據(jù)蓄電壓的高低來自動判斷是否向負載供電，同時具有過充、過放、電子短路、過載保護,蓄電池反接保護,太陽能電池反接保護的作用。 圖中的DC/DC為自動升降壓電路，DC/DC完成電壓匹配的功能，即根據(jù)用電器的要求，自動將輸入電源的電壓進行識別變換，使得照明、滅蚊、音樂播放、手機充電、紅外報警功能正常實現(xiàn)。

圖1　便攜式太陽能野外供電器的系統(tǒng)

2模塊設(shè)計

2.1負載設(shè)計

2.1.1照明燈

照明燈由十顆LED燈珠構(gòu)成，每顆燈珠額定電壓為5 V、總功率3 W。LED照明燈不僅使用方便、節(jié)能，而且能在各種惡劣的環(huán)境下工作，夜間工作照明，不但為營地提供光源，而且還可以嚇跑野獸、指示營地位置等。

2.1.2音樂播放器

音樂播放器由內(nèi)置的藍牙芯片和兩側(cè)集成小型外放揚聲器組成，額定電壓為5 V，功率為3 W。藍牙芯片采用無線電通信技術(shù)實現(xiàn)音樂數(shù)據(jù)傳輸，通信距離最大可以達10 m左右，傳輸速率最高可以達到1 Mb/s。通過藍牙將揚聲器與手機、平板電腦配對連接，只要控制手機、平板電腦就可以實現(xiàn)音樂的播放、暫停、關(guān)閉、控制音量等功能。

2.1.3滅蚊燈

滅蚊燈采用的是高亮度5050紫光LED燈，其功率為0.7 W，額定電壓為3.7 V。滅蚊原理是利用蚊蠅對特殊波長的敏感性，通過光催化二氧化碳吸引蚊蠅，然后在雙層電網(wǎng)間通過升壓模塊將輸入的3.7 V直流電升壓至1850 V左右的高壓電(電流小于10 mA，對人體無害)，這時兩電網(wǎng)間將產(chǎn)生有較強吸附力的靜電場，當蚊蟲接近電網(wǎng)時，能將其吸入電網(wǎng)間，并被產(chǎn)生的短路電流電斃。

2.1.4紅外報警器

紅外報警器的作用是用來防止野營者在野營過程中受到他人或動物的傷害[2]。由于生物體表溫度與周圍環(huán)境存在差別，在生物移動時，紅外探測報警裝置能檢測到這種差別產(chǎn)生的變化，從而觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報。同時為了防止誤報，可在紅外探測器上安裝菲涅爾透鏡，將探測覆蓋范圍分成一定數(shù)量的探測區(qū)，當溫度變化在兩區(qū)之間產(chǎn)生時，探測器電路就觸發(fā)一個信號脈沖，探測器根據(jù)信號脈沖觸發(fā)警報。為了更好地提高探測靈敏度，可以設(shè)置“脈沖計數(shù)”方式，也就是說只有當探測到連續(xù)兩個以上的脈沖才表示有生物入侵，才能發(fā)出入侵警報。

2.1.5USB充電接口

將太陽能電池和蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為適于手機充電的5V /1A的直流電，模塊輸出穩(wěn)定的電壓輸送到USB對接口，只需要將手機或者其他電子產(chǎn)品用數(shù)據(jù)線與USB對接口相連，便可給手機等電子產(chǎn)品充電。

2.2太陽能電池設(shè)計

太陽能電池按技術(shù)成熟程度分為第一代、第二代、第三代太陽能電池[3]，第一代太陽能電池主要采用單晶硅和多晶硅材料，技術(shù)發(fā)展成熟但成本較高；第二代電池基于薄膜技術(shù)，相對于晶硅電池來說，重量輕、占用空間小、柔韌性好、耐摔耐撞擊、弱光性好以及高溫發(fā)電性好；第三代電池為新型概念電池，仍處于概念和簡單實驗層次上的研究。根據(jù)野外供電器便攜性的要求，需要將太陽能電池掛扣式整合在背包上，因此選擇采用體積小、重量輕、弱光性強的柔性薄膜太陽能電池。另外，根據(jù)用電器的功率要求，選擇的柔性薄膜電池尺寸為38 cm*16.5 cm*0.05 cm，輸出電壓為2 V，輸出功率為0.5 W，將6片串并聯(lián)后作為電源接入太陽能充放電控制器。

2.3DC/DC模塊設(shè)計

DC/DC模塊在整個系統(tǒng)中完成電壓匹配的功能，由于受光照強度、溫度、陰影遮蔽等因素的影響，太陽能電池的輸出電能是不穩(wěn)定的，而蓄電池和負載都需要工作在穩(wěn)定且正常的電壓和功率條件下。因此，需要在柔性薄膜電池后端接入Buck-boost自動升降壓電路，即DC/DC。由于在負載選型時都將工作電壓選定在5 V，因此DC/DC的作用是將變化的輸入電壓轉(zhuǎn)換成固定的5 V，采用MC34063A芯片外接簡單元件構(gòu)成升降壓電路，MC34063包含了DC/DC變換器的控制電路，圖2為自動升降壓電路。

3樣機測試

為保證供電器的便攜性，將柔性薄膜太陽能電池掛扣式設(shè)計在背包表面，野營者在行路時可將電池掛在背包上，停歇時將電池鋪開，隨時接收陽光進行發(fā)電[4]。供電器緊湊地集成在一個黑色ABS材質(zhì)盒子里，集成盒長寬高為：25 cm*10 cm*6.5 cm，可手提，也可將其放入背包中，另外紅外報警器和滅蚊裝置為外置設(shè)計，如圖3所示。

圖2　自動升降壓電路

圖3太陽能便攜式野外供電器樣機實物圖

測試地點：廣東機電職業(yè)技術(shù)學院

測試時間：2015年10月15日早8：00點至20：00點

測試環(huán)境：晴，20~30 °C

測試方式：將背包放至操場，分別記錄8：00點、10：00點、12：00點、14：00點、16：00點、18：00點、20：00點電池片的輸出電、輸出電流值，蓄電池的電壓；測試負載工作狀態(tài)。

測試結(jié)果：12個小時的測試中，所設(shè)計的供電器的工作情況如表1中樣機測試數(shù)據(jù)所示，其工作狀態(tài)分以下幾種情況：

1)8:00開始測試，鋰電池初始狀態(tài)為待充電狀態(tài)，太陽能電池輸出一邊給鋰電池充電，一邊供給負載用電。此時工作的負載為USB充電口、紅外報警器、音樂播放器，負載工作正常。

2)到達中午時分時，太陽光直射太陽能電池板，鋰電池達到放電條件和太陽能電池板共同為負載供電，此時工作的負載為USB充電口、紅外報警器、音樂播放器，負載工作正常。

3)下午隨著太陽光輻射強度的減弱，負載的供電由鋰電池供電為主，太陽能電池供電為輔，此時工作的負載為USB充電口、紅外報警器、音樂播放器，負載工作正常。

4)到了晚上，由鋰電池供電，此時工作的負載為紅外報警器、照明燈、滅蚊燈，負載工作正常。

表1　樣機測試數(shù)據(jù)

4結(jié)語

現(xiàn)今這個緊張而忙碌的時代，戶外野營作為釋放壓力的新途徑被深度發(fā)掘，目前已有的太陽能電源、野營燈、滅蚊燈等用品要么功能單一，要么體積笨重，不能同時滿足用戶的要求，所設(shè)計的便攜式供電器采用新能源技術(shù)、無污染、節(jié)能環(huán)保，具有方便攜帶、操作簡單、成本低、故障率低、維護簡便的特點，實用性強，能夠滿足野營者野外旅行的基本用電要求。

參考文獻：

[1]范英. 用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián)準Z源逆變器研究[D]. 長沙：中南大學，2013.

[2]謝凱生. 紅外線無線報警器的原理分析[J]. 電子世界，2014(12)：20.

[3]張中偉，張世勇，胡強. 晶硅太陽能光伏電池技術(shù)進展[J]. 東方電氣評論，2013,6(27)：1-7.

[4]辛勤穎. 太陽能背包設(shè)計探析[J]. 黎明職業(yè)大學學報，2012,9(3)：81-85.

責任編輯陳桂梅

Design of outdoor portable solar power supply device

FANYing，HUAQuanbin，F(xiàn)ENGDesi，ZHOUShilei

(Guang Dong Mechanical&Electrical College， Guangzhou510515， China)

Abstract：This paper introduces a power supply device that is powered by solar photovoltaic cells. It can output stable direct current after DC/DC converter and control the charging and discharging of lithium battery with input charge controller. It can meet the load of electricity to achieve lighting，mosquito eradication，music player，cell phone charger，infrared alarm functions. The prototype testing indicates that the power supply has the features of being portable，versatile and suitable for field trips and other occasions.

Keywords：solar energy； multi-function； power supply device； outdoor

中圖分類號：TM 615

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7880(2016)01-0046-03

DOI:10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.01.015

作者簡介：范英(1989—)， 女，湖南常德人，助教，研究方向：新能源發(fā)電與電能質(zhì)量控制；

收稿日期：2015-12-10

項目來源：“攀登計劃”——廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金項目(pdjh2015b0649)

周世磊(1979—)，男，湖南常德人，助教，研究方向：行政管理、高校思想政治教育。