便攜式太陽能電源的設計

易運池 楊學坤北京農業職業學院

引言：人們出門在外，最大的問題就是手機等電子產品的電能消耗完了，但是卻沒有可以快速直接的供電電源，本文設計了一種電源，便于隨車或者隨身攜帶，它既可以按光線精準自動識別還可以按時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為其充電。所設計液晶顯示部分，用來顯示當前的充放電狀態和電量大小。它不僅能為手機（DC+5V）等電子產品充電，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：把太陽能轉換成電能。蓄電池：存儲來自電網或者太陽能電池的電能。單片機：對整個電源系統進行控制。液晶顯示屏：顯示當前充放電狀態和電量。電機：帶動電池板追光。轉動軸和轉動軸套：支撐和控制電池板運行方向。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：自動追光時對電池板進行自動定位。

二、硬件設計

（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計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）。（所列參數為實驗室標準陽光 1000W / 平方的條件測得）

2.蓄電池的選擇

蓄電池選擇常規的12V17Ah/20HR容量的蓄電池，其具體參數為：容量范圍：12V17Ah/20HR；電壓等級：12V；設計浮充壽命：在25℃±5℃環境下，12V系列為15年；循環壽命：在標準使用條件下，循環2950次；自放電率：≤2% / 月；工作溫度范圍寬：-20℃～55℃。

3.單片機的選擇[3]

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

4.液晶顯示屏的選擇

選用12232帶字庫串口液晶屏。

5.電機

定制12V蝸桿減速電機。減速電機主要參數：空載電流：≤60mA;空載轉速： 1 rpm;額定轉矩： 30Kg/cm;額定轉速： 1 rpm;額定電流： ≤0.6A;最大轉矩： 30Kg/cm; 停轉電流： 1.5A。

6.逆變器的選擇[4]

逆變器主要參數： 18V / 100～150W; 逆變器輸出電壓：AC220V ±5%; 持續功率： 350W; 峰值功率： 500W; 無負載電流：＜0.5A; 直流輸入電壓：DC9.7～15.5V; 輸出頻率： 50Hz ±3Hz;轉換效率： ＞90%; 高壓切斷： 15V ±0.5V; 低壓報警： 11.2V±0.3V; 低壓切斷： 10V ±0.3V; 過載/短路保護；工作環境溫度：-20℃ ～ +70℃; 相對濕度： ＜90%RH;產品重量：1.15Kg。

7.USB的選擇

USB輸出能力： 5V ±0.3V / 1000Ma。

（二）硬件設計

1.外形設計

為了便于攜帶和操作，選用一個2OL的塑料箱來承裝所有設備，一個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.電路設計

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

控制器：單片機

輸出部分電路：顯示電路、電機與控制電路

三、軟件設計

（一）設計思路

追光方式分為根據光強度追光和根據時間值追光，由控制開關與按鈕手動進行轉換。

第一種方案：當天氣晴朗、電源所放置地點空曠無遮擋物時，根據光強度追光，此時系統通過支架上探頭的數值將支架自動旋轉至光照度最強的角度，完成根據光強度追光功能。

第二種方案：當天氣陰晴不定、電源所放置地點有遮擋物時，通過手動旋轉設備將太陽能板對準太陽所在的角度后，按下右側方形按鈕一次后，系統開始計時，每40分鐘后，支架順時針旋轉10度，完成根據時間追光的功能。

（二）程序設計

程序利用C語言進行編寫。

四、效果

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

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動需要消耗一定的電能，為了減少損耗，需要選用質量小的太陽能電池板，轉動軸可以從多方面改進。