一种新型自动追光发电烹饪两用智能太阳灶

王光伟，胡智军，王亮，李鸿裕

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）

一种新型自动追光发电烹饪两用智能太阳灶

王光伟，胡智军，王亮，李鸿裕

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津300222）

开发了一种新型自动追光发电烹饪两用太阳灶。这种太阳灶是由灶体、四象限双轴光电跟踪控制装置和光伏发电板组成的闭环系统。该系统可自动跟踪太阳，在烹饪时间之外，利用光伏板发电并存入蓄电池为控制装置供电，具有智能化、自动化、高效、节能、环保的特点，提高了太阳能利用率。整个系统具有成本低、运行平稳、功能易实现的优势，有较好的市场推广应用潜力。

太阳能热利用；智能太阳灶；双轴光电跟踪；太阳能光伏发电

当前，能源短缺和环境污染是全球性的2大突出问题。依靠科技进步节能减排和开发利用可再生清洁能源是解决这些问题的首选方案。在绿色可再生能源中，太阳能首屈一指，它具有分布范围广、取之不尽、用之不竭、总量巨大、可直接利用和对环境无毒害等优点。当然，太阳能也有诸如分散、不稳定、利用效率低和设备成本高等缺点。许多国家认识到社会的可持续发展应着力于用清洁能源逐步取代常规能源，以减少污染物排放，保护环境。因此，太阳能利用技术和设施的研发愈来愈受到重视。目前，成熟的太阳能热利用装置之一是太阳灶。太阳灶可应用到农村、工矿企业、部队和学校等，与日常生活息息相关。传统太阳灶功能单一，主要用于烹任。随着生活水平的提高，人们需要更智能化、自动化的太阳灶产品。

为实现太阳灶的自动化、智能化，本文提出一种新型发电烹饪两用智能太阳灶。该设备具有自动跟踪太阳的功能；不进行炊事时，通过太阳灶聚光发电，以提高光伏板的发电功率；烹饪时，移开光伏板，可做饭、烧水等。光伏板发的电储存在锂电池中，为跟踪控制电路供电，形成一个稳定的闭环系统。本文对这种新型太阳灶的追光方式及软、硬件进行了设计，通过实物的制作与调试，验证了其在应用推广中的优势。

1　系统总体构成

新型发电烹饪两用智能太阳灶采用STM32系列单片机作为微控制器，它是基于ARM Cortex-M3内核控制器，其内核芯片体积小、功能强大，可满足系统对控制器的要求。内部集成了很多功能模块，用户可以根据需求随意调用，不需要再额外设计外围附加电路，且控制精度高、运行速度快。本设计采用内部集成的实时时钟控制器（real time controller，RTC）时钟模块和内部产生的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）信号。机械结构采用太阳方位角和仰角2部分控制。方位角采用直流减速电机齿轮传动控制，仰角采用直流推杆电机退出、收缩控制。整个设计分为2部分，即太阳跟踪控制部分和光伏发电部分。

2　四象限追光设计

太阳灶追光采用光电跟踪的方式，利用光电传感器来侦测太阳的高度角和方位角。对太阳灶来说，在太阳垂直照射的条件下，若各个方向的光照强度相同，光电传感器输出信号为1；若不同，输出信号为0。根据传感器的信号决定太阳灶转动，如果信号表示左边光强大，则控制方位角电机转动使太阳灶向左边转动。在追光过程中，采用先调整方位角、后调整仰角来实现双轴精确跟踪太阳。该跟踪模式具有精度高、速度快的特点，但对光电传感器的灵敏度和控制电路的响应要求较高。

在传感器选择中，光电传感器以及光照度传感器的种类和型号很多，但是在室外太阳光下，用于该系统却出现超出量程的现象。在这种情况下，本文设计了一个功能类似的传感器，用光敏二极管阵列做一个感光平面来检测太阳位置。光线直线示意图和光线斜射示意图如图1和图2所示。柱体底部为一个感光平面，对角线划分的4个区域表示4个感光象限。图1表示太阳光直射，光线照射到底面，形成圆形光斑，光线与下方的感光平面垂直。图2表示太阳光斜射，照射到了圆形光斑外的左侧区域，说明太阳光不与感光平面垂直，需调节其方位角和仰角使光线与感光平面垂直。实验表明，当太阳光线照在圆形区域左右时应调整方位角，照在圆形区域上下时应调节仰角，这样才能使感光平面与太阳光垂直。将光电传感器安装在太阳灶上，通过控制系统调整角度，使太阳灶最大圆平面与感光平面平行、感光平面与太阳光垂直，从而使太阳灶的聚光效果最好，实现太阳灶的双轴追光效果。

图1　光线直射示意图

图2　光线斜射示意图

3　硬件设计

这种新型发电烹饪两用智能太阳灶的硬件由微控制器、光电传感器、驱动电机、光伏充电控制器、锂离子蓄电池、电源电路、推杆电机以及减速电机组成，如图3所示。

图3　新型发电烹饪两用太阳灶的硬件组成框图

系统采用STM32F103系列单片机，它具有专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3核心，具有体积小、功能强、可满足系统对追光控制等要求。

方位角转动采用微型带涡轮蜗杆减速直流马达，具备2个特点：①涡轮蜗杆减速电机有自锁性，即在马达没电的情况下，输出轴不动，自行锁定，自锁力是额定扭矩的1.2倍；②减速箱输出轴方向与马达轴是垂直布置，整个马达体输出轴比普通减速马达短，适用于一些对安装尺寸有要求的场合。

仰角执行器采用推杆电机，它利用电机经过蜗轮蜗杆减速，配合丝杆螺母，把电机的旋转运动变成直线运动，同时通过转子正反转来控制电动推杆的伸缩，从而调控太阳灶的仰角。

电机驱动采用大电流低阻抗的MC 33886模块，工作电压为5～12 V，最大驱动电流为5 A，该驱动具有短路保护、欠压保护、过热保护等功能，且电路板具有体积小巧、结构简单、操作方便、易于安装的特点，其电路结构如图4所示。

图4　电机驱动MC33886电路图

4　软件设计

新型发电烹饪两用智能太阳灶是将四象限双轴光电跟踪系统和光伏发电系统进行搭配，形成一个闭环系统。整个系统程序的设计流程采用模块化的编程思路，采用C语言编程实现。设计中，时钟程序和中断程序先进行初始化处理。由于光照强度较弱时太阳灶利用价值不大，因此在9∶30～15∶30太阳光照较强的时段，系统执行智能追光程序，控制器首先读取光电传感器传来的电参数，侦测灶体与太阳的相对位置，如果太阳灶的灶面没有正对太阳，则通过控制电机转动使太阳灶正对太阳。在光强较弱的时段，系统处于低功耗待机状态，减少蓄电池电量的消耗，从而使整个系统的耗电量减小，达到自给自足的目的，形成真正的闭环系统。系统软件设计流程图如图5所示。本研究作品实物制作和调试已经完成，各项性能指标均达到预期设计的要求，追光灵敏度高，不需要人工操作，运行稳定，可靠性强，太阳灶实物图如图6所示。

5　存在的问题及展望

图5　系统软件设计程序流程图

图6　新型自动追光发电烹饪两用太阳灶实物图

在系统的设计和制作过程中，对太阳能光热、光电系统以及传感控制系统有了全新的认识，但是在设计和制作中还有很多不足之处，如电路的硬件结构不够小，不够精简；集成化程度低的控制电路板，不利于产品化；新型发电烹饪两用智能太阳灶的整机体积较大，安装和拆卸不太方便。系统的电子电路功能基本完善，但在电路和机械工艺设计上还较为复杂。在今后的研发过程中，还应在便携和电路集成化上多下功夫，优化结构，使控制电路集成化、简单化，外部机械结构更加小巧和美观。

目前的设计只针对太阳灶的聚光发电和自动跟踪太阳。在后续的研发中，应考虑在现有基础上增大光伏发电量，使其在不影响正常烹饪情况下，实现发电量的最大化。这样不仅能供系统正常运行，还能额外储存一部分电能在锂电池中，以供其他小型负载使用。

6　结束语

本文研发了一种新型发电烹饪两用智能太阳灶，并对实物进行了制作和调试，调试结果表明其功能基本实现。本项目将传统太阳灶自动化、智能化和多用途化。这种新型发电烹饪两用智能太阳灶的控制电路简单，易于实现，具有性价比高、可靠性高、功耗低、抗干扰性较强等优点。最具特色的是，虽然是电路控制系统，但它有自己的发电系统来充当电源，不需要额外供电，用户无须操作，为绿色环保产品，具有潜在的市场推广价值。

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A smart dual-use automatic sunlight-tracking solar cooker with both electricity generation and cooking

WANG Guang-wei，HU Zhi-jun，WANG Liang，LI Hong-yu
（School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A novel automatic sunlight-tracking dual-purpose solar cooker with both solar power generation and cooking is developed，which is mainly composed of stove，four-quadrant biaxial photoelectric-tracking control part and photovoltaic power generation part.This system，which constitutes a closed-loop system，can automatically track the sun and generate electricity by using photovoltaic panels，deposited in storage batteries to supply power for control device.It has the characteristics of intelligence，automation，high efficiency，energy saving and environmental protection，thus greatly improving the use ratio of solar energy.The whole system has the advantages of low cost，stable operation，and easy implementing functions.It has a wide potential of popularization and application in current market.

solar energy thermal utilization；smart solar cooker；biaxial photoelectric tracking；solar photovoltaic power generation

TK513.4，TK514，TK515

A

2095－0926（2015）04－0015－03

2015-11-05

国家级大学生创新创业训练计划项目（201410066001）；天津市太阳能利用工职业培训包项目（TJPXB2-7）.

王光伟（1971—），男，教授，博士后，硕士生导师，研究方向为新型光伏电池和太阳能利用新技术.