關(guān)于便攜式太陽能移動電源系統(tǒng)的研究

黃斌妮?張新娜?常朝正?蘇小珊?董志鑫

摘要：面對我們當(dāng)下全球氣候變暖、傳統(tǒng)企業(yè)能源發(fā)展日益枯竭等問題，在本文設(shè)計中，主要進行介紹了一種可實現(xiàn)的高效太陽能移動電源。首先，由太陽能板吸收光能，然后利用光電轉(zhuǎn)換原理將吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電容中，通過放電為其它電子設(shè)備供電。研究表明：該系統(tǒng)有效地提高光—電轉(zhuǎn)換的效率，并進一步提高了二次轉(zhuǎn)換效率。有助于節(jié)約傳統(tǒng)能源，而且可以減少傳統(tǒng)能源導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，符合低碳節(jié)能的生活理念，適應(yīng)時代的發(fā)展潮流。

關(guān)鍵詞：太陽能;光電轉(zhuǎn)換;高效;節(jié)能

為解決傳統(tǒng)能源數(shù)量有限、污染環(huán)境的問題，太陽能、風(fēng)能等清潔能源的高效應(yīng)用已經(jīng)成為我們當(dāng)今社會發(fā)展的熱門產(chǎn)業(yè)，得到各個國家的廣泛關(guān)注。 本項目以綠色和取之不盡的太陽能為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種高效的太陽能移動通信電源——通過使用太陽能采集板直接影響吸收光能，利用光電轉(zhuǎn)換工作原理可以將其轉(zhuǎn)化為電能并存儲在電池中，為其它電子設(shè)備供電。實驗結(jié)果表明：可以有效提高光電轉(zhuǎn)換效率和二次轉(zhuǎn)換效率。為后續(xù)光能的研究和發(fā)展提供了支撐，并有效降低傳統(tǒng)能源污染。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體電路共包括五部分：由LED驅(qū)動電路、功率放大電路、單片機系統(tǒng)的電路、充電電路、放電電路組成。

（一）LED驅(qū)動電路

LED驅(qū)動電路用于驅(qū)動電源系統(tǒng)指示燈，為了保證LED燈能夠正常工作，那么它就必須有一個直流電壓值，所以設(shè)計了一個LED驅(qū)動電路，電路經(jīng)過放大器LM358集成芯片放大，輸出端與2SD882三極管和電阻TR5組成一個恒流源，相當(dāng)于通過高通濾波器，隔直流，變?yōu)橐粋€純交流的信號后，再加載一個150mV電壓經(jīng)過放大器，變成了一個電流信號，根據(jù)NPN三極管特性，三極管集電極的電流即通過LED2的電流也會隨恒流源變化，LED2的亮度就會跟隨電流的大小而改變。

（二）單片機電路

STM32是增強型32位MCU，STM32不僅可以解決模擬的信號，還能解決數(shù)字的信號，可以通過簡單的程序進行操作，性能穩(wěn)定，它的時鐘頻率穩(wěn)定，運行速度快，所以選擇STM32作為一個系統(tǒng)的主控模塊。

（三）功率放大電路

XPT8871是一個非常合適的功率放大器，在5V下工作，最大驅(qū)動功率可達4.55W損失的功率可忽略不計。由于PT8871芯片內(nèi)集成反饋電路和自動保護電路，在使用時電路很簡單，只需要連接少量外圍元件，輸出時不用接一個電容或者緩沖，正常進行工作時穩(wěn)定發(fā)展操作，增益控制帶寬積非常高，在改變外接的輸入電阻和輸入電容就可以改變放大器的增益和音質(zhì)效果，方便使用。

XPT8871輸入電阻RI和反饋電阻RF可以控制的增益，其增益計算公式可用公式1-1表示為：

（式1-1）

其中RI為10K芯片外部的可調(diào)節(jié)輸入電阻;RF反饋電阻為400K（內(nèi)部集成，不可修改）。

輸入電阻RR3和輸入電容RC1構(gòu)成一個高通濾波器，其截止頻率可由公式1-2計算得出：

（式1-2）

（四）充放電電路

充放電電路通過電壓比較控制電容充放電，從而實現(xiàn)對移動電源的充電以及對電子產(chǎn)品的充電。電路設(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換的方式可以測量蓄電池的電壓，首先將蓄電池電壓值測量為可視化分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)和設(shè)定的門限電壓技術(shù)進行研究比較，通過比較進行相應(yīng)的控制。 本文選擇STM32內(nèi)部的5V電壓作為A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓。

工作過程：

整個系統(tǒng)的工作過程如下（蓄電池電壓為 u） ：

充電工作情況：

設(shè)定一個門限電壓U0

1.當(dāng)U≤U0時，系統(tǒng)內(nèi)蓄電池進行充電操作;

2.當(dāng)U>U0時，移動電源的蓄電池停止充電。

放電工作情況：

設(shè)定電壓U1、U2，U2<U1。

1.當(dāng)U由小于U1時，蓄電池對負載放電，從而達到對手機等電子產(chǎn)品充電的效果。

2.當(dāng)U≤U2時，蓄電池停止放電，

3.隨著充電時間，電壓U的值不斷增加，當(dāng)U達到臨界值U2時，此時系統(tǒng)的蓄電池不能立刻恢復(fù)，實現(xiàn)對外界的供電。因為如果立即恢復(fù)供電會因為電壓過快跳變而又停止供電，形成一種跳變的供電狀態(tài)，即通-斷狀態(tài)不斷跳變。為了解決這一問題，我們搜集相關(guān)資料。設(shè)置了一個安全電壓的回差，給蓄電池一個緩和的過程，當(dāng)蓄電池充電功能恢復(fù)到U大于U1時，再控制電平恢復(fù)供電。

二、功能調(diào)試

（一）功率放大電路測試

對功率放大電路進行測試，發(fā)現(xiàn)XPT8871外接的輸入一個電阻進行過小，沒有達到系統(tǒng)性能要求，因此增大了RI的電阻，為150K歐的阻值。

（二）單片機電路調(diào)試

對單片機的調(diào)試首先通過計算機編寫程序，然后通過JLink下載串口連接計算機和單片機進行調(diào)試

由于輸出電流IO端口STM32相對較小，加了一個三極管5401來放大電流，但是發(fā)現(xiàn)基極輸入的電流太小了，原因發(fā)現(xiàn)是限流電阻阻值過于大了，將原來的22K改為4.7K，電路正常工作。

（三）設(shè)計創(chuàng)新點

1.環(huán)保，節(jié)約能源

通過使用太陽能采集板可以選擇直接影響吸收光能，低碳經(jīng)濟。

2. 使用方便

該項目開發(fā)了太陽能充電系統(tǒng)，無論何時何亮的地方可以給手機，MP3，MP4，數(shù)碼相機，數(shù)碼攝像機，微型游戲機和收取的其他移動數(shù)字設(shè)備。

3.外形時尚，攜帶方便

造型簡潔華貴，體積小，厚度較薄，便于人們攜帶。

4.使用安全

帶有多種保護功能，有效延長使用壽命，同時可以有效適應(yīng)各種環(huán)境下的使用。

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作者簡介：

黃斌妮 （199807-），女，漢，廣西桂平，本科，桂林電子科技大學(xué)，桂林電子科技大學(xué)工管專業(yè)學(xué)生。

本文是國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練“Solar Flare 便攜式太陽能移動電源”（項目編號：202010595241）項目成果.