天津職業(yè)技術師范大學電子工程學院■王光偉 王志成 曹學聰 劉志發(fā) 陳泰

0 引言

如今，能源短缺和環(huán)境污染是亟需解決的全球性問題?；剂馅呄蚩萁?，開發(fā)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(jīng)濟性高等優(yōu)點，是理想的新能源。開發(fā)太陽能利用技術和裝置是應對傳統(tǒng)能源緊張、溫室效應及環(huán)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(chǎn)品，在我國許多地區(qū)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(fā)電兩用太陽灶，實現(xiàn)了仰角跟蹤太陽、聚光燒水和光伏發(fā)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(chǎn)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(fā)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(tǒng)供電，無需外部電源。與傳統(tǒng)太陽灶相比，本裝置便攜、節(jié)能、環(huán)保、可充電，具有潛在的市場前景。

1 系統(tǒng)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(fā)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(chǎn)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(fā)周期短、穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點[2]，其控制電機的進退以調(diào)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(shù)據(jù)，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(wěn)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(chǎn)生電能，經(jīng)過控制和變換后，可輸出恒定的5 V電壓。

2 系統(tǒng)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(fā)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(qū)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(fā)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(wěn)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(nèi)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(xiàn)短路等故障時亮起，提示有突發(fā)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(diào)，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(nèi)可正常工作。轉換模塊使用時，用欠壓保護調(diào)整方法，即調(diào)節(jié)欠壓保護電位器，將輸入端接穩(wěn)壓電源，將欠壓保護電位器調(diào)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(diào)節(jié)器，輸出3 A的驅(qū)動電流，具有良好的負載調(diào)節(jié)功能。該模塊還可輸出1.25～30 V連續(xù)可調(diào)的電壓，內(nèi)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(diào)節(jié)電位器使該模塊輸出穩(wěn)定的5 V電壓，為系統(tǒng)供電。

2.2 鋰電池電量和電壓監(jiān)測模塊

系統(tǒng)需要對薄膜光伏組件輸出的電壓進行實時監(jiān)測，以防止光伏組件對鋰電池過充電或反充電。電壓監(jiān)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(jié)省STC89C51單片機的I/O接口資源[7]。將需要監(jiān)測的電壓接入TCL2543的模擬輸入端，經(jīng)A/D轉換器轉換后，電壓以數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 電機驅(qū)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(nèi)部的H橋電路來驅(qū)動電機的轉向。MC33886芯片是飛思卡爾半導體公司生產(chǎn)的集成H橋驅(qū)動芯片，最大驅(qū)動電流為5 A，導通電阻約140 mΩ，輸出脈寬調(diào)制(PWM)頻率為10 kHz，發(fā)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(tài)。

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(xiàn)灶體仰角的變化。

圖3 H橋電路原理圖

3 系統(tǒng)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(diào)試。便攜式單軸自動跟蹤燒水發(fā)電兩用太陽灶需要光伏發(fā)電系統(tǒng)和仰角跟蹤系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，使燒水、發(fā)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(shù)字量，經(jīng)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(chǎn)生V1與V2兩個電壓值。在程序中，通過判斷V1與V2的大小產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)了仰角的自動調(diào)節(jié)，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(xù)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(tǒng)軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

4 存在的問題及展望

本太陽灶實現(xiàn)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(fā)電兩項任務。產(chǎn)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(fā)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(fā)中，在保證當前太陽灶聚光和發(fā)電功能的基礎上，將進一步優(yōu)化反光膜材質(zhì)和灶體，控制系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(xiàn)光伏發(fā)電，電機傳動實現(xiàn)仰角追光，使燒水和發(fā)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(fā)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(zhì)，該設計可為出行野炊提供更多的選擇。