一種太陽能無線充電亭的設計與實現

孫彤 林佳穎 王諶澤 游國棟

摘 要 針對當前日益匱乏的能源危機以及出行時公共場所充電不方便問題，本文基于可再生的太陽能發電設計了一種手機無線充電亭，并與安全環保的LED燈相結合，既解決了人們出行時手機電量不夠用的問題，又能在光強不足時提供照明。此充電亭采用光電跟蹤與角度跟蹤相結合的雙軸跟蹤模式，能夠最大效率地實現光電轉換。此外，充電亭的圓桌設計不僅滿足人們的充電需求，還能讓人們坐下休息聊天，促進人與人之間的交流。

關鍵詞 光伏發電 充電亭 無線充電 自動跟蹤

中圖分類號：TK51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）01-0009-02

隨著現代工業的飛速發展，可再生能源的開發與利用受到高度重視，太陽能作為清潔能源已被廣泛應用。隨著手機等電子設備的普及，人們出行時電量不足的問題愈加顯著，在此背景下，本文研制一款利用太陽能將光能轉化為電能的環保供電方式并結合時下流行的無線充電技術，為人們的出行提供便利。

通過光伏發電結構組成、開發條件、應用規模等對其發展前景進行探析[1]，如陳超超等人[2]對光伏發電自動跟蹤系統的研究;黃森等人[3]設計的智能語音控制的太陽能無線充電裝置;于思博[4]設計的手機無線充電器;賈紅梅[5]對手機無線充電系統的研究;馬赟馨等人[6]基于磁耦合共振傳輸技術對手機無線充電系統的設計與研究等。充分利用太陽光，既會降低城市能源的使用成本，又能讓城市可持續發展。

1 太陽能無線充電亭外形結構設計

充電亭分為上下兩個區域，上部分為發電區，其中1為可轉動太陽能電池板;2為遮陽棚;3為LED燈管;4為亭子支柱，可連接上下兩部分。下部分為無線充電區，其中5為無線充電裝置，手機放在此裝置上即可實現充電;6為充電桌，充電所需配置放置在桌子內;7為可供坐下休息的座椅。充電亭結構示意圖如圖1所示。

2 系統設計

2.1 光伏發電系統

2.1.1 自動跟蹤模塊

該模塊由傳感器、A/D轉換器、單片機、驅動器、兩個步進電機等構成。采用STC89C52單片機作為主控制器、TLC7528芯片作為數模轉換器、TMC246芯片作為驅動器及28BYJ48四相八拍步進電機。

角度跟蹤：根據太陽運動算法即式（2-1）、式（2-2）計算太陽的方位角與高度角，單片機信號處理后把脈沖信號傳遞給驅動器來驅動兩個步進電機，使其在高度角和方位角維度上同時追蹤以控制電池板轉動，最大程度讓電池板與太陽光方向保持垂直。

太陽高度角計算公式為：

式中θ為高度角;γ為緯度值;δ為赤緯角;ε為太陽時角。

太陽方位角計算公式為：

式中α為太陽方位角。

光電跟蹤：利用東南西北四個方向的光敏傳感器檢測陽光方位，光通過光敏傳感器采集信號，A/D轉換后轉變為單片機可直接處理的信號后傳給單片機，驅動器接收脈沖信號后使步進電機在角度跟蹤的基礎上進行微調，保證太陽能板與太陽光垂直。自動跟蹤模塊過程如圖2所示。

2.1.2 儲電模塊

儲電模塊主要由穩壓電路和鋰電池構成。穩壓電路以TD1410芯片作為主控制，其轉化效率高且具有保護電路，能將電池板輸出為穩定的5V/2A電壓電流。選用三節3400mA鋰電池，并聯后為10200mA，充放電次數可達上千次，此外選用CW1055ALCT芯片作為保護芯片。

2.1.3 照明模塊

照明模塊選用具有發光效率高、環保安全等優勢的LED燈。采用并行連接方式，將電流分配到各支路中，并將其電源與蓄電池的正負極相連接，保證LED總額定電壓與鋰電池輸出電壓5V相同以避免燈被燒壞，利用白天鋰電池儲存的電能給LED供電，從而實現照明。

2.2 無線充電系統

根據電磁感應原理，電和磁在空間里的轉換和傳遞實現能量的傳輸。主要結構包括發射電路、接收電路以及穩壓電路，總電路圖設計如圖3所示。

2.2.1 發射電路模塊

發射電路包括整流濾波、DC-DC變換電路、高頻逆變電路、LC諧振網絡等。輸入的220V工頻交流電，經過整流濾波以及DC-DC降壓成5V穩定直流電供給高頻逆變電路使用，會產生頻率為100KHz-200KHz的高頻交流電，在經過線圈后產生手機接收端線圈可感應的高頻交變磁場以實現無線充電系統的能量發射部分的設計。

2.2.2 接收器模塊

接收部分主要包括LC諧振網絡、AC-DC變換電路、檢測和控制電路及手機負載。LC諧振網絡是為了從發射端產生的高頻交變磁場中獲取電能，并將該電能轉換為高頻交流電，經AC-DC變換電路轉換成平穩的5V直流電供手機負載使用。

3 結語

本文設計了一種太陽能無線充電亭，采用雙軸自動跟蹤系統并與無線充電技術相結合。其致力于提供環保惠民的充電服務，可應用于景區等人流大的地方，具有一定的應用前景和發展空間。

參考文獻：

[1] 張學銘.太陽能發電技術綜合評價及應用前景探析[J].中國設備工程，2019（12）：19-20.

[2] 陳超超，朱珠.光伏充電樁自動跟蹤系統[J].科技與創新，2017（10）：41.

[3] 黃森，李傳博，宋欣坷.智能化太陽能無線充電裝置設計[J].電子測試，2020（17）：11.

[4] 于思博.手機無線充電器的設計[J].電子技術與軟件工程，2019（08）：97.

[5] 賈紅梅.手機無線充電系統的研究[D].安徽：安徽工業大學，2017.

[6] 馬赟馨，謝妍.基于磁耦合共振傳輸技術的手機無線充電系統的設計與研究[J].電子世界，2017（09）：7-10.

1.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222;2.天津科技大學 藝術設計學院，天津 300222