一種便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶

天津職業技術師范大學電子工程學院■王光偉 王志成 曹學聰 劉志發 陳泰

0 引言

如今，能源短缺和環境污染是亟需解決的全球性問題。化石燃料趨向枯竭，開發利用綠色可再生能源的任務十分迫切。其中，太陽能取之不盡、用之不竭，且具備可再生、分布地域廣、清潔無污染、技術經濟性高等優點，是理想的新能源。開發太陽能利用技術和裝置是應對傳統能源緊張、溫室效應及環境污染等問題的有效途徑。在太陽能應用方面，固定式太陽灶是較為成熟的產品，在我國許多地區已得到推廣應用[1]。然而固定式太陽灶笨重、占地面積大、外出攜帶不方便的特點，限制了其應用場合。

本文提出了一種便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶，實現了仰角跟蹤太陽、聚光燒水和光伏發電的功能。該太陽灶的大小與拉桿行李箱相當，可放置于汽車后備箱，出行攜帶方便；聚光產生高溫，可以在外出野炊時燒開水；利用非晶硅薄膜光伏組件發電，由控制模塊通過USB口輸出5 V直流電壓，可為手機充電；鋰電池存儲的電能還可為系統供電，無需外部電源。與傳統太陽灶相比，本裝置便攜、節能、環保、可充電，具有潛在的市場前景。

1 系統整體設計與初測

為了方便攜帶、能適合汽車后備箱尺寸且可以匯聚更多太陽光，便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶應運而生。該太陽灶采用STC89C51單片機作為控制核心，此單片機是STC公司生產的一款低功耗、高性能的基于CMOS的 8位微控制器，具有寄存器和I/O接口資源豐富、小巧靈活、功能強大、開發周期短、穩定可靠、成本低等優點[2]，其控制電機的進退以調整太陽灶的仰角；采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉換器采集非晶硅薄膜光伏組件的電壓數據，以此判斷其對鋰電池的充電量；機械結構分為灶體和鋁合金支架，支架支撐灶體和直流推桿電機。

該太陽灶將灶體設計為半拋物面，以降低灶體高度，便于操作。設計灶體時，要確保灶面反射光匯聚到半拋物面的焦線附近，半拋物面的橫截面是拋物線，可用公式x2=4fy表示，拋物線的焦點坐標為(0,f)[3]。灶體材料采用ABS塑膠，該種材料的耐熱性能好、抗沖擊能力強、化學穩定性高、密度小、重量輕，方便用戶攜帶。灶體表面黏貼PET真空鍍鋁反光膜，有較強的韌性和強度，反光率可達95%以上[4-5]。

在戶外對該太陽灶進行測試。當太陽光直射灶體時，反射光匯聚到焦線附近，形成明亮的焦斑，對食品級不銹鋼管中的水進行加熱，大約20 min便可將管中的水燒開。同時，灶體兩翼的非晶硅薄膜光伏組件可產生電能，經過控制和變換后，可輸出恒定的5 V電壓。

2 系統硬件組成

本太陽灶由鋁合金支架、拋物面灶體、食品級不銹鋼加熱管、單軸自動跟蹤裝置、硬件模塊組成。其中，硬件模塊包括：STC89C51單片機、光電傳感模塊、光伏發電模塊、光伏充電控制模塊、5 V電壓輸出模塊(可給手機或充電寶充電)、電機驅動模塊等。硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶的硬件組成框圖

2.1 DC/DC電壓轉換模塊

為使鋰電池充放電更穩定，采用了LTC3780自動升降壓電源模塊和LM2596S DC/DC降壓電源模塊來完成DC/DC電壓轉換。

不同的日期、一天中不同的時刻，太陽光的輻射強度都不相同[6]，而薄膜光伏組件輸出的電壓會隨太陽光強度的變化而不同。DC/DC電壓轉換模塊采用LTC3780自動升降壓電源模塊控制光伏組件的充電功能，在薄膜光伏組件輸出電壓波動時，能維持電壓恒定，如光伏組件輸出電壓在5～12 V范圍內時，該模塊輸出電壓為12 V。LTC3780模塊具有保護功能，可保證鋰電池不過充；其采用陽極氧化散熱片散熱，相比鋁片有更佳的散熱效果；指示燈會在電壓飄移和出現短路等故障時亮起，提示有突發狀況需處理；并且還具有過壓、欠壓保護等功能。當外部輸入電壓為DC 5～32 V時，輸出電壓為DC 1～30 V可調，最大輸出電流為10 A，最大輸出功率為130 W，在-45～85 ℃的溫度范圍內可正常工作。轉換模塊使用時，用欠壓保護調整方法，即調節欠壓保護電位器，將輸入端接穩壓電源，將欠壓保護電位器調至10 V，直到故障指示燈亮起，提示鋰電池放電已到10 V，此時必須自動切斷供電，才可更好地保護鋰電池，減少損耗，延長壽命，總體上使太陽灶有更長的使用壽命。

LM2596S DC/DC降壓電源模塊采用LM2596開關電壓調節器，輸出3 A的驅動電流，具有良好的負載調節功能。該模塊還可輸出1.25～30 V連續可調的電壓，內部振蕩頻率為150 kHz，功耗低、效率高，可滿足電路的供電要求。當輸入電壓為12 V時，調節電位器使該模塊輸出穩定的5 V電壓，為系統供電。

2.2 鋰電池電量和電壓監測模塊

系統需要對薄膜光伏組件輸出的電壓進行實時監測，以防止光伏組件對鋰電池過充電或反充電。電壓監測采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D轉換器，由于串行輸入，可節省STC89C51單片機的I/O接口資源[7]。將需要監測的電壓接入TCL2543的模擬輸入端，經A/D轉換器轉換后，電壓以數字信號傳入STC89C51單片機中，由LCD1602液晶屏顯示當前電壓及鋰電池剩余電量。鋰電池電量和光伏組件輸出電壓監測系統如圖2所示。

2.3 電機驅動單軸跟蹤模塊

電機采用12 V的直流推桿電機，通過MC33886芯片內部的H橋電路來驅動電機的轉向。MC33886芯片是飛思卡爾半導體公司生產的集成H橋驅動芯片，最大驅動電流為5 A，導通電阻約140 mΩ，輸出脈寬調制(PWM)頻率為10 kHz，發熱量小。MC33886應用簡便，通過4根輸出線控制電機的正轉、反轉和停轉，可提示欠壓、短路、過熱等故障狀態。

H橋電路原理圖如圖3所示。當雙極晶體管Q1、Q4導通，Q2、Q3截止時，電機M正轉；當Q2、Q3導通，Q1、Q4截止時，電機M反轉；當4個晶體管均截止時，電極M停轉。通過電機的正轉和反轉來控制拉伸桿的伸縮，以實現灶體仰角的變化。

圖3 H橋電路原理圖

3 系統軟件設計

采用keil軟件平臺，用C語言編程，燒錄到單片機中進行調試。便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶需要光伏發電系統和仰角跟蹤系統相互協調，使燒水、發電效率最大，以便達到“自給自足，不需要外加電源”的目的。用2個光敏電阻采集太陽光強，采用單端輸入分別與2塊PCF8591芯片連接。光敏電阻在不同的光強下有不同的阻值，電壓值也會相應變化。PCF8591芯片將模擬量轉換為數字量，經由單片機判斷并做出相應的動作。在電路中，2個光敏電阻采集到的光強通過A/D轉換器轉換產生V1與V2兩個電壓值。在程序中，通過判斷V1與V2的大小產生相應的動作。具體操作為：當V1＞V2時，電機M正轉；當V1＜V2時，電機M反轉。程序里設置了中斷定時器，每隔0.5 s系統自動檢測1次光強；為了解決電機在臨界值附近的抖動，系統還設定了10 min的延時，有效解決了這一問題。通過電機控制拉伸桿的伸縮，實現了仰角的自動調節，可使太陽灶受光面積達到最大，以提高太陽能利用率。

如果長時間給鋰電池充電，會縮短其壽命，因此，為延長鋰電池的續航能力和使用壽命，軟件會判斷鋰電池電量是否為100%。如果判斷結果為“是”，停止充電；如果為“否”，再判斷電量是否小于30%，如果為“是”，立即開始充電，為“否”，則進行浮充。

系統軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件設計流程圖

4 存在的問題及展望

本太陽灶實現了體積小、重量輕、方便攜帶等預期的效果，在天氣晴朗時，可同時完成燒水和發電兩項任務。產品實物如圖5所示。但本設計也存在一些問題，比如，較小的聚光面導致聚集的太陽光不夠充足，難以短時間燒開較多的飲用水；另外，控制電路板較大，集成度不高，需要進一步精簡。智能太陽灶目前只能做到仰角追光，而隨著太陽方位的變化，需要手動移動太陽灶，才能更好地匯聚太陽光，以便更有效地燒水和發電。

本太陽灶的成功設計及使用，可更加方便、高效地利用太陽能。在今后的研發中，在保證當前太陽灶聚光和發電功能的基礎上，將進一步優化反光膜材質和灶體，控制系統集成化，使太陽灶的性能得到進一步的提升，更加方便出行者攜帶和使用。

圖5 便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶實物圖

5 結語

本文介紹了一種便攜式單軸自動跟蹤燒水發電兩用太陽灶。本設計采用半拋物面作為太陽灶灶體，焦線位置加裝食品級不銹鋼加熱管，在太陽灶的兩翼安裝薄膜光伏組件以實現光伏發電，電機傳動實現仰角追光，使燒水和發電效率趨近最大。在戶外野炊時，該太陽灶能夠滿足人們飲用開水的需求，借助于光伏發電，還可為出行者提供備用電源，避免手機電量不足帶來的麻煩。隨著民眾不斷追求更高的生活品質，該設計可為出行野炊提供更多的選擇。