便攜式燒水給與發(fā)電兩用太陽灶設計

王志成，王光偉，曹學聰，劉志發(fā)，陳 泰

（天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

如今煤、石油、天然氣等化石燃料日益枯竭，開發(fā)利用清潔的可再生能源的任務十分迫切。其中，開發(fā)利用太陽能是緩解能源短缺、溫室效應和環(huán)境污染問題的有效途徑。太陽灶是成熟的太陽能熱利用裝置。市場上的太陽灶大致分為箱式、平板式、聚光太陽灶和室內太陽灶，前3種太陽灶都需要在室外陽光下進行炊事操作，這些固定式太陽灶大多放置在庭院內，功能單一，主要用來燒水做飯[1]。在我國許多地區(qū)，固定式太陽灶已得到推廣應用[2]，但固定式太陽灶比較笨重，占地面積大，移動不方便，限制了其使用場合。本文設計一種便攜式發(fā)電與燒水兩用太陽灶，該灶具有聚光燒水和光伏發(fā)電功能，外出野炊時能夠燒開水和給手機充電，同時存儲備用電量。該太陽灶設計成行李箱大小，方便出行攜帶。與傳統(tǒng)產品相比，具有便攜、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在燒水的同時可給手機或充電寶充電，具有潛在的市場前景。

1 系統(tǒng)總體構成及設計

便攜式燒水發(fā)電兩用太陽灶采用STC89C52單片機作為微控制器，TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉換器采集電壓數(shù)據(jù)，以此來判斷太陽能電池板充電程度。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，有豐富的寄存器資源和I/O接口資源，小巧靈活，功能強大，具有開發(fā)周期短、穩(wěn)定可靠、成本低等眾多優(yōu)點[3]。機械結構分為灶體和支架2部分。支架主要為鋁合金材料。

目前，市場上的固定式太陽灶灶體均為金屬材質，質量和體積均較大。為了使太陽灶易于攜帶，同時在適合汽車后備箱的尺寸情況下能夠較多地反射太陽光，將太陽灶體設計為半拋物面，降低灶體高度，方便操作。

設計灶體時，為確保灶體反射的太陽光線匯聚到理想的位置，即半拋物面的焦線。半拋物面橫截面為拋物線，用公式x2=2py表示。在該拋物線中，焦點坐標為（0，p/2）[4]。本灶體采用ABS塑膠材料，該材料具有耐熱性能高、抗沖擊性能強、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，最重要的是密度小，灶體重量輕，方便用戶使用。灶體表面采用PET鍍鋁反光膜，該膜有較強的韌性和強度[5]，反光率達95%以上。對太陽灶進行戶外測試，當太陽灶對準太陽時，反射光成功地匯聚到預定區(qū)域[6]，對食品級不銹鋼管中的飲用水加熱。大約20 min管中的水即可燒開。太陽灶實物如圖1所示。

圖1 便攜式燒水發(fā)電兩用太陽灶實物圖

2 硬件電路設計

本設計的主要結構為：太陽灶灶體、不銹鋼熱水管、灶體支架及硬件控制模塊等。其中硬件模塊主要包括：STC89C51單片機最小系統(tǒng)、光電傳感模塊、光伏發(fā)電模塊、光伏充電控制模塊、5V電壓充電模塊等。便攜式燒水發(fā)電兩用太陽灶硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 便攜式燒水發(fā)電兩用太陽灶硬件組成框圖

2.1 DC-DC電壓變換模塊

為使鋰電池充放電更穩(wěn)定，設計采用了LTC3780自動升降壓電源模塊和LM2596S DC-DC降壓電源模塊進行DC-DC電壓變換。

LTC3780自動升降壓電源模塊用于光伏充電，在光伏輸入電壓低于、高于、等于輸出電壓時，輸出電壓保持不變。當輸入電壓為5～12 V時，可將該模塊輸出電壓設定為12 V并維持不變。在不同天氣或一天中不同時刻，太陽光的輻照強度均不同[7]，太陽能光伏板產生的電壓隨著太陽光強度的變化而變化。該模塊具有完善的保護功能，可穩(wěn)定地輸出電壓，正確給鋰電池充電。模塊采用陽極氧化散熱片散熱，散熱效果比鋁片更佳，當發(fā)生電壓飄移或短路等故障時指示燈提示，以便及時處理突發(fā)狀況，并且有恒壓、恒流、欠壓保護等功能。如輸入電壓為DC5～32V，輸出電壓為DC 1～30 V可調，最大輸出電流10A，最大輸出功率130 W，可在-45℃～85℃范圍內正常工作。使用時，采用欠壓保護調整方法：調整欠壓保護電位器將輸入接穩(wěn)壓電源，調至10 V，故障時指示燈亮；鋰電池放電到10 V時自動切斷供電，從而更好地保護電池，減少損耗，使太陽灶擁有更長的使用期限。

LM2596S DC-DC降壓電源模塊采用LM2596開關電壓調節(jié)器，該模塊可輸出3A的驅動電流，具有良好的負載調節(jié)作用；同時，還可輸出1.25～30 V連續(xù)可調的電壓，內部的振蕩頻率為150 kHz，效率高，功耗低，可滿足電路的供電。當輸入12 V電壓時，調節(jié)電位器調節(jié)該模塊輸出穩(wěn)定的5 V電壓為電路供電。

2.2 電量采集和電壓監(jiān)測電路

系統(tǒng)需要對光伏電池輸出的電壓進行實時監(jiān)測，防止太陽能光伏板對鋰電池過充電造成損壞。電壓監(jiān)測采用TI公司的TLC254312位串行A/D轉換器。由于串行輸入，該轉換器可節(jié)省STC89C51單片機的I/O接口資源[8]。將檢測電壓接入TCL2543模擬輸入端，經(jīng)A/D轉換后，把電壓以數(shù)字信號輸入到STC89C51單片機中，再由LCD1602液晶屏顯示當前電壓及剩余電量。電量采集及電壓監(jiān)測電路如圖3所示。

圖3 電量采集及電壓監(jiān)測電路

3 軟件設計

本設計編程采用Keil軟件，用C語言編寫程序，燒錄到單片機中進行調試。便攜式燒水發(fā)電兩用太陽灶主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)構成，使燒水發(fā)電效率達到最大，自給自足，不需要額外供電。本設計用2個光敏電阻采集光強，采用單端輸入的方式分別與2塊PCF8591芯片連接。光敏電阻在不同的光強下有不同的阻值，所以電壓值會相應的變化。PCF8591芯片將模擬量轉換為數(shù)字量，這樣就可以通過單片機進行太陽能利用率判斷并做出相應的動作。如果長時間給鋰電池充電，會縮短電池的壽命，所以通過軟件判斷電池電量是否為100%，如果是，則停止充電；如果否，再次判斷電量是否小于30%，如果是，則開始充電，否則進行浮充。這樣既可以提高電池的使用壽命，也可以為電池的有效續(xù)航提供保障。系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

4 結 語

本研究設計的燒水發(fā)電兩用太陽灶實現(xiàn)了體積小、重量輕、方便攜帶等預期效果。在天氣晴朗時，可同時完成燒水和發(fā)電。本設計存在的問題是聚光面較小，這導致了聚集的太陽光不夠充足，難以短時間燒開較多的飲用水，可考慮改進為偏軸式聚光面[9]。另外控制電路板較大，集成度不高，還需要進一步精簡。本太陽灶的成功設計及使用說明了可以更加方便高效地利用太陽能，太陽能給人們的生活帶來更多的方便。在今后的研發(fā)過程中，應在當前太陽灶聚光和發(fā)電功能的基礎上，優(yōu)化反光膜材質、灶體以及控制電路，使太陽灶的性能進一步提升，更方便出行者使用。