戶外多途徑電能產(chǎn)生裝置設(shè)計(jì)

余浩東，陳 杰，陳乙藍(lán)

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，上班族的工作生活壓力越來越大，各種健身運(yùn)動也越來越受到大家的喜愛，尤其是戶外健身運(yùn)動，如騎行、徒步、攀登、野外露營等。然而在各種戶外運(yùn)動逐漸普及的當(dāng)下，移動終端設(shè)備電源的續(xù)航問題一直困擾著大家，如手機(jī)、電腦、照明燈等。如何提高野外生存和戶外健身的安全得到了很多人的關(guān)注，一旦出現(xiàn)安全問題能夠及時呼救就顯得尤為重要。數(shù)天的戶外活動常常會以為設(shè)備電量不足或者沒有合適的電源而無法正常使用，手機(jī)和照明設(shè)備是戶外安全的重要設(shè)備，涉及到意外情況求助和黑夜照明等人身安全問題[1]。關(guān)于設(shè)備的電電源問題，目前的解決方案比較多，如攜帶充電寶、發(fā)電機(jī)、太陽能充電器等等方式。然而，充電寶、發(fā)電機(jī)攜帶不便，太陽能充電器受氣候影響較大，這都會影響到為設(shè)備及時充電。便捷戶外充電解決方案是解決戶外運(yùn)動設(shè)備續(xù)航的主要關(guān)注點(diǎn)。為了解決以上充電方式的不足，本文在現(xiàn)有野外充電裝置的的基礎(chǔ)上，提出一種集太陽能、風(fēng)能、水能以及外力等多種電力來源方式于一體的新型野外電能發(fā)生裝置。該裝置利用太陽能、風(fēng)能、水能和人力能量的互補(bǔ)性，使得系統(tǒng)的供電不受氣候、出行距離甚至出行地點(diǎn)的限制，在任何氣候環(huán)境下都能獲得電能的輸出[2]。通過四種能量發(fā)電系統(tǒng)的很好配合可以使能源得到有效的利用，起到了很好的節(jié)能環(huán)保效果，同時也為戶外運(yùn)動愛好者提供了后備能源。

1 方案設(shè)計(jì)

該新型野外電能發(fā)生裝置是一套集合了四種電能發(fā)生方式的野外電能發(fā)生裝置，這四套裝置可獨(dú)立工作，使用四種發(fā)電方式之一即可實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生，也可將其中任何兩個方式進(jìn)行組合使用，充電效率更高。該設(shè)計(jì)的目的是通過電能發(fā)生裝置的互補(bǔ)性完成電源輸出，裝置在野外使用靈活，產(chǎn)生電能連續(xù)，設(shè)備轉(zhuǎn)換效率高。因而，系統(tǒng)主要由太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)能發(fā)電裝置、水能發(fā)電裝置、人力發(fā)電裝置以及電源穩(wěn)定裝置5部分組成，各裝置間的能量可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)輸出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 新型野外電能發(fā)生裝置系統(tǒng)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 太陽能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

太陽能發(fā)電裝置通過太陽能光伏電池板的多晶硅電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并進(jìn)行存儲輸出。在此選用12 V/200 W太陽能電池板。因受日光照射強(qiáng)度不同，太陽能電池板的輸出電壓會有波動，該波動電壓不宜為手機(jī)電池或者手電筒電池供電，需先對其進(jìn)行穩(wěn)壓、升壓處理。穩(wěn)壓電路采用LM2940穩(wěn)壓模塊組成的穩(wěn)壓輸出電路，電路能夠?qū)⑻柲馨遢敵龅闹绷麟妷悍€(wěn)定在直流5 V輸出，穩(wěn)壓效果好、紋波小[4]。太陽能板經(jīng)穩(wěn)壓后的5 V電壓輸出送給TP4056充電電路。充電電路自帶電源保護(hù)功能，可吸收紋波電壓，而且該電路可對單節(jié)3.3 V鋰電池進(jìn)行充電。電源穩(wěn)定裝置采用DC/DC升壓PT1301電路，將蓄電池的3.3 V電壓升壓為穩(wěn)定的5 V電壓對外輸出[5]。太陽能發(fā)電裝置實(shí)物如圖2所示。

圖2 太陽能發(fā)電裝置實(shí)物

為了保證系統(tǒng)的工作可靠性，需對裝置進(jìn)行一系列測試工作。測試的目的是測試裝置的使用功能、充電效率、充電效果。測試時將裝置分別在陰天、晴天和雨天進(jìn)行了充電裝置輸入/輸出電壓和充電效率與輸入電壓關(guān)系的相關(guān)測試，測試持續(xù)5 h。該裝置在太陽光充足的情況下，通過不斷調(diào)整電池板與太陽之間的角度來模擬不同環(huán)境下的使用情況，得到了相關(guān)測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。通過對測試數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的工作效率與輸入電壓有關(guān)，輸入電壓越高效率越高，基本呈現(xiàn)正比關(guān)系，也就是在光照條件較好的情況下太陽能電池板的輸出電壓較高，此時效率較高[6]。因而，在戶外使用太陽能板進(jìn)行充電時應(yīng)盡量將太陽能板與太陽光之間呈垂直擺放，以更多的吸收太陽光，從而提高系統(tǒng)充電效率。測試結(jié)果表明：2 000 mA·h的手機(jī)電池在提示電量不足情況下經(jīng)過3 h左右即可充滿，能夠滿足野外使用的要求。

圖3 太陽能發(fā)電裝置參數(shù)測試

2.2 水能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

基于水能的發(fā)電裝置系統(tǒng)由產(chǎn)生電能的水流發(fā)電機(jī)、存儲電能的蓄電池、單片機(jī)控制電路以及負(fù)載組成[7]。該系統(tǒng)主要用于野外陰天環(huán)境有水流場所的發(fā)電、儲電、用電，以補(bǔ)充太陽能供電系統(tǒng)不能使用時的情景。通過電路各個環(huán)節(jié)的設(shè)置，在有流動水的場所將裝置放入水中，由水流發(fā)電機(jī)開始發(fā)電先存入與發(fā)電機(jī)并聯(lián)的儲電蓄電池中，當(dāng)需要使用該電能給手機(jī)、手電筒等設(shè)備供電時由單片機(jī)進(jìn)行控制。

該水能發(fā)電裝置主要由電能產(chǎn)生單元、電能存儲單元、單片機(jī)控制單元、用電設(shè)備單元4個部分組成。電能產(chǎn)生單元主要由水流發(fā)電機(jī)和電能輸出線路組成，其主要職責(zé)是將水流產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并送給電能存儲單元。電能儲能單元主要由鉛酸蓄電池或者鋰電池組成，用于接收電能產(chǎn)生單元的電能并存儲起來。單片機(jī)控制單元由單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，含穩(wěn)壓、升壓以及輸出，主要用于降電壓進(jìn)行控制以符合各種不同負(fù)載的充電用電需求。用電單元是電能消耗單元，用于各種實(shí)際充電需求。使用時將水流發(fā)電機(jī)置于水流流向下的河道內(nèi)，當(dāng)河道內(nèi)有水流流過裝置，利用水流產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水流發(fā)電機(jī)的電能，再將該電能存儲到蓄電池內(nèi)。當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測到有用電設(shè)備接入時，根據(jù)負(fù)載的電壓等級輸出合適的供電電壓給設(shè)備供電。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 水能發(fā)電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該充電裝置具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，只要有水流動的場合就能使用，無論水流速度大小，都能夠產(chǎn)生一定的電能對蓄電池進(jìn)行充電。在實(shí)際使用過程中，流速較大的場合發(fā)電機(jī)發(fā)電效率較高，輸出電壓高，能夠較快實(shí)現(xiàn)充電，流速較慢則充電速度會較慢，但整體使用情況較好，基本能夠滿足在陰雨天氣對手機(jī)、手電筒設(shè)備的充電使用。

2.3 風(fēng)能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

風(fēng)能在自然界中無處不在，是一種取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，它最大的特點(diǎn)是可隨時隨地使用，發(fā)展?jié)摿薮骩8]。在野外騎行時即便沒有自然風(fēng)的存在，也可以通過騎行的方式產(chǎn)生風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，使得該方式不受自然風(fēng)的限制。這種發(fā)電方式是太陽能發(fā)電、水能發(fā)電的又一補(bǔ)充方式，可以對以上兩種方式產(chǎn)生互補(bǔ)作用。該發(fā)電裝置的主要部件是微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，用于產(chǎn)生電能，將該風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能并聯(lián)在誰能發(fā)電裝置的前端，用于取代水流發(fā)電機(jī)，與水流發(fā)電機(jī)并聯(lián)產(chǎn)生電能，為蓄電池供電[9]，其他組成部分同水能發(fā)電機(jī)一樣。風(fēng)能發(fā)電機(jī)發(fā)電的特點(diǎn)與水流發(fā)電機(jī)類似，輸出電壓都與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速高則輸出電壓高充電速度快，反之充電速度慢。

2.4 人力發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

人力發(fā)電裝置是在前面三種發(fā)電方式都沒有辦法產(chǎn)生電能的情況下的最終解決方案。該裝置可不依賴任何外界自然條件而產(chǎn)生電能為用電設(shè)備充電。人力使用可采用手搖發(fā)電、自行車帶動發(fā)電等方式。該辦法就是在風(fēng)能或者水流發(fā)電裝置的外部嵌入能夠進(jìn)行手搖產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的機(jī)械裝置，以便于使它們能夠產(chǎn)生機(jī)械旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電能[10]。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的新型野外電能發(fā)生裝置較好地解決了戶外用電設(shè)備續(xù)航里程問題。測試表明：太陽能發(fā)電裝置是幾種發(fā)電方式中效果較好的方式，該方式除了受到天氣條件的影響外幾乎沒有任何限制，在使用和發(fā)電效率方面表現(xiàn)出色。風(fēng)能、水能、人力發(fā)電方式實(shí)際為一種模式，都是通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的，不同點(diǎn)在于機(jī)械能的來源不同。它們可以通過不同來源的機(jī)械能實(shí)現(xiàn)了各種自然限制條件的限制性互補(bǔ)，為能源的持續(xù)供給得到了保證。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置的可靠性高，野外適應(yīng)能力強(qiáng)，適合各種類型的戶外活動，不但解決了戶外用電問題，也為環(huán)保出了一份力。