便携式烧水给与发电两用太阳灶设计

王志成，王光伟，曹学聪，刘志发，陈 泰

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

如今煤、石油、天然气等化石燃料日益枯竭，开发利用清洁的可再生能源的任务十分迫切。其中，开发利用太阳能是缓解能源短缺、温室效应和环境污染问题的有效途径。太阳灶是成熟的太阳能热利用装置。市场上的太阳灶大致分为箱式、平板式、聚光太阳灶和室内太阳灶，前3种太阳灶都需要在室外阳光下进行炊事操作，这些固定式太阳灶大多放置在庭院内，功能单一，主要用来烧水做饭[1]。在我国许多地区，固定式太阳灶已得到推广应用[2]，但固定式太阳灶比较笨重，占地面积大，移动不方便，限制了其使用场合。本文设计一种便携式发电与烧水两用太阳灶，该灶具有聚光烧水和光伏发电功能，外出野炊时能够烧开水和给手机充电，同时存储备用电量。该太阳灶设计成行李箱大小，方便出行携带。与传统产品相比，具有便携、节能、环保等优点，在烧水的同时可给手机或充电宝充电，具有潜在的市场前景。

1 系统总体构成及设计

便携式烧水发电两用太阳灶采用STC89C52单片机作为微控制器，TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器采集电压数据，以此来判断太阳能电池板充电程度。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，有丰富的寄存器资源和I/O接口资源，小巧灵活，功能强大，具有开发周期短、稳定可靠、成本低等众多优点[3]。机械结构分为灶体和支架2部分。支架主要为铝合金材料。

目前，市场上的固定式太阳灶灶体均为金属材质，质量和体积均较大。为了使太阳灶易于携带，同时在适合汽车后备箱的尺寸情况下能够较多地反射太阳光，将太阳灶体设计为半抛物面，降低灶体高度，方便操作。

设计灶体时，为确保灶体反射的太阳光线汇聚到理想的位置，即半抛物面的焦线。半抛物面横截面为抛物线，用公式x2=2py表示。在该抛物线中，焦点坐标为（0，p/2）[4]。本灶体采用ABS塑胶材料，该材料具有耐热性能高、抗冲击性能强、化学稳定性好等优点，最重要的是密度小，灶体重量轻，方便用户使用。灶体表面采用PET镀铝反光膜，该膜有较强的韧性和强度[5]，反光率达95%以上。对太阳灶进行户外测试，当太阳灶对准太阳时，反射光成功地汇聚到预定区域[6]，对食品级不锈钢管中的饮用水加热。大约20 min管中的水即可烧开。太阳灶实物如图1所示。

图1 便携式烧水发电两用太阳灶实物图

2 硬件电路设计

本设计的主要结构为：太阳灶灶体、不锈钢热水管、灶体支架及硬件控制模块等。其中硬件模块主要包括：STC89C51单片机最小系统、光电传感模块、光伏发电模块、光伏充电控制模块、5V电压充电模块等。便携式烧水发电两用太阳灶硬件组成框图如图2所示。

图2 便携式烧水发电两用太阳灶硬件组成框图

2.1 DC-DC电压变换模块

为使锂电池充放电更稳定，设计采用了LTC3780自动升降压电源模块和LM2596S DC-DC降压电源模块进行DC-DC电压变换。

LTC3780自动升降压电源模块用于光伏充电，在光伏输入电压低于、高于、等于输出电压时，输出电压保持不变。当输入电压为5～12 V时，可将该模块输出电压设定为12 V并维持不变。在不同天气或一天中不同时刻，太阳光的辐照强度均不同[7]，太阳能光伏板产生的电压随着太阳光强度的变化而变化。该模块具有完善的保护功能，可稳定地输出电压，正确给锂电池充电。模块采用阳极氧化散热片散热，散热效果比铝片更佳，当发生电压飘移或短路等故障时指示灯提示，以便及时处理突发状况，并且有恒压、恒流、欠压保护等功能。如输入电压为DC5～32V，输出电压为DC 1～30 V可调，最大输出电流10A，最大输出功率130 W，可在-45℃～85℃范围内正常工作。使用时，采用欠压保护调整方法：调整欠压保护电位器将输入接稳压电源，调至10 V，故障时指示灯亮；锂电池放电到10 V时自动切断供电，从而更好地保护电池，减少损耗，使太阳灶拥有更长的使用期限。

LM2596S DC-DC降压电源模块采用LM2596开关电压调节器，该模块可输出3A的驱动电流，具有良好的负载调节作用；同时，还可输出1.25～30 V连续可调的电压，内部的振荡频率为150 kHz，效率高，功耗低，可满足电路的供电。当输入12 V电压时，调节电位器调节该模块输出稳定的5 V电压为电路供电。

2.2 电量采集和电压监测电路

系统需要对光伏电池输出的电压进行实时监测，防止太阳能光伏板对锂电池过充电造成损坏。电压监测采用TI公司的TLC254312位串行A/D转换器。由于串行输入，该转换器可节省STC89C51单片机的I/O接口资源[8]。将检测电压接入TCL2543模拟输入端，经A/D转换后，把电压以数字信号输入到STC89C51单片机中，再由LCD1602液晶屏显示当前电压及剩余电量。电量采集及电压监测电路如图3所示。

图3 电量采集及电压监测电路

3 软件设计

本设计编程采用Keil软件，用C语言编写程序，烧录到单片机中进行调试。便携式烧水发电两用太阳灶主要由光伏发电系统构成，使烧水发电效率达到最大，自给自足，不需要额外供电。本设计用2个光敏电阻采集光强，采用单端输入的方式分别与2块PCF8591芯片连接。光敏电阻在不同的光强下有不同的阻值，所以电压值会相应的变化。PCF8591芯片将模拟量转换为数字量，这样就可以通过单片机进行太阳能利用率判断并做出相应的动作。如果长时间给锂电池充电，会缩短电池的寿命，所以通过软件判断电池电量是否为100%，如果是，则停止充电；如果否，再次判断电量是否小于30%，如果是，则开始充电，否则进行浮充。这样既可以提高电池的使用寿命，也可以为电池的有效续航提供保障。系统软件设计流程如图4所示。

图4 系统软件设计流程图

4 结 语

本研究设计的烧水发电两用太阳灶实现了体积小、重量轻、方便携带等预期效果。在天气晴朗时，可同时完成烧水和发电。本设计存在的问题是聚光面较小，这导致了聚集的太阳光不够充足，难以短时间烧开较多的饮用水，可考虑改进为偏轴式聚光面[9]。另外控制电路板较大，集成度不高，还需要进一步精简。本太阳灶的成功设计及使用说明了可以更加方便高效地利用太阳能，太阳能给人们的生活带来更多的方便。在今后的研发过程中，应在当前太阳灶聚光和发电功能的基础上，优化反光膜材质、灶体以及控制电路，使太阳灶的性能进一步提升，更方便出行者使用。