户外多途径电能产生装置设计

余浩东，陈 杰，陈乙蓝

（三亚学院，海南 三亚 572022）

0 引 言

随着现代生活节奏的加快，上班族的工作生活压力越来越大，各种健身运动也越来越受到大家的喜爱，尤其是户外健身运动，如骑行、徒步、攀登、野外露营等。然而在各种户外运动逐渐普及的当下，移动终端设备电源的续航问题一直困扰着大家，如手机、电脑、照明灯等。如何提高野外生存和户外健身的安全得到了很多人的关注，一旦出现安全问题能够及时呼救就显得尤为重要。数天的户外活动常常会以为设备电量不足或者没有合适的电源而无法正常使用，手机和照明设备是户外安全的重要设备，涉及到意外情况求助和黑夜照明等人身安全问题[1]。关于设备的电电源问题，目前的解决方案比较多，如携带充电宝、发电机、太阳能充电器等等方式。然而，充电宝、发电机携带不便，太阳能充电器受气候影响较大，这都会影响到为设备及时充电。便捷户外充电解决方案是解决户外运动设备续航的主要关注点。为了解决以上充电方式的不足，本文在现有野外充电装置的的基础上，提出一种集太阳能、风能、水能以及外力等多种电力来源方式于一体的新型野外电能发生装置。该装置利用太阳能、风能、水能和人力能量的互补性，使得系统的供电不受气候、出行距离甚至出行地点的限制，在任何气候环境下都能获得电能的输出[2]。通过四种能量发电系统的很好配合可以使能源得到有效的利用，起到了很好的节能环保效果，同时也为户外运动爱好者提供了后备能源。

1 方案设计

该新型野外电能发生装置是一套集合了四种电能发生方式的野外电能发生装置，这四套装置可独立工作，使用四种发电方式之一即可实现电能的产生，也可将其中任何两个方式进行组合使用，充电效率更高。该设计的目的是通过电能发生装置的互补性完成电源输出，装置在野外使用灵活，产生电能连续，设备转换效率高。因而，系统主要由太阳能发电装置、风能发电装置、水能发电装置、人力发电装置以及电源稳定装置5部分组成，各装置间的能量可以实现互补输出，其系统结构如图1所示[3]。

图1 新型野外电能发生装置系统图

2 硬件电路设计

2.1 太阳能发电装置设计

太阳能发电装置通过太阳能光伏电池板的多晶硅电池将太阳能转化为电能并进行存储输出。在此选用12 V/200 W太阳能电池板。因受日光照射强度不同，太阳能电池板的输出电压会有波动，该波动电压不宜为手机电池或者手电筒电池供电，需先对其进行稳压、升压处理。稳压电路采用LM2940稳压模块组成的稳压输出电路，电路能够将太阳能板输出的直流电压稳定在直流5 V输出，稳压效果好、纹波小[4]。太阳能板经稳压后的5 V电压输出送给TP4056充电电路。充电电路自带电源保护功能，可吸收纹波电压，而且该电路可对单节3.3 V锂电池进行充电。电源稳定装置采用DC/DC升压PT1301电路，将蓄电池的3.3 V电压升压为稳定的5 V电压对外输出[5]。太阳能发电装置实物如图2所示。

图2 太阳能发电装置实物

为了保证系统的工作可靠性，需对装置进行一系列测试工作。测试的目的是测试装置的使用功能、充电效率、充电效果。测试时将装置分别在阴天、晴天和雨天进行了充电装置输入/输出电压和充电效率与输入电压关系的相关测试，测试持续5 h。该装置在太阳光充足的情况下，通过不断调整电池板与太阳之间的角度来模拟不同环境下的使用情况，得到了相关测试数据结果如图3所示。通过对测试数据的分析，发现系统的工作效率与输入电压有关，输入电压越高效率越高，基本呈现正比关系，也就是在光照条件较好的情况下太阳能电池板的输出电压较高，此时效率较高[6]。因而，在户外使用太阳能板进行充电时应尽量将太阳能板与太阳光之间呈垂直摆放，以更多的吸收太阳光，从而提高系统充电效率。测试结果表明：2 000 mA·h的手机电池在提示电量不足情况下经过3 h左右即可充满，能够满足野外使用的要求。

图3 太阳能发电装置参数测试

2.2 水能发电装置设计

基于水能的发电装置系统由产生电能的水流发电机、存储电能的蓄电池、单片机控制电路以及负载组成[7]。该系统主要用于野外阴天环境有水流场所的发电、储电、用电，以补充太阳能供电系统不能使用时的情景。通过电路各个环节的设置，在有流动水的场所将装置放入水中，由水流发电机开始发电先存入与发电机并联的储电蓄电池中，当需要使用该电能给手机、手电筒等设备供电时由单片机进行控制。

该水能发电装置主要由电能产生单元、电能存储单元、单片机控制单元、用电设备单元4个部分组成。电能产生单元主要由水流发电机和电能输出线路组成，其主要职责是将水流产生的机械能转化为电能并送给电能存储单元。电能储能单元主要由铅酸蓄电池或者锂电池组成，用于接收电能产生单元的电能并存储起来。单片机控制单元由单片机控制系统组成，含稳压、升压以及输出，主要用于降电压进行控制以符合各种不同负载的充电用电需求。用电单元是电能消耗单元，用于各种实际充电需求。使用时将水流发电机置于水流流向下的河道内，当河道内有水流流过装置，利用水流产生的机械能转化为水流发电机的电能，再将该电能存储到蓄电池内。当单片机控制系统检测到有用电设备接入时，根据负载的电压等级输出合适的供电电压给设备供电。系统框图如图4所示。

图4 水能发电装置系统结构

该充电装置具有较好的环境适应能力，只要有水流动的场合就能使用，无论水流速度大小，都能够产生一定的电能对蓄电池进行充电。在实际使用过程中，流速较大的场合发电机发电效率较高，输出电压高，能够较快实现充电，流速较慢则充电速度会较慢，但整体使用情况较好，基本能够满足在阴雨天气对手机、手电筒设备的充电使用。

2.3 风能发电装置设计

风能在自然界中无处不在，是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源，它最大的特点是可随时随地使用，发展潜力巨大[8]。在野外骑行时即便没有自然风的存在，也可以通过骑行的方式产生风力进行发电，使得该方式不受自然风的限制。这种发电方式是太阳能发电、水能发电的又一补充方式，可以对以上两种方式产生互补作用。该发电装置的主要部件是微型风力发电机，用于产生电能，将该风力发电机所产生的电能并联在谁能发电装置的前端，用于取代水流发电机，与水流发电机并联产生电能，为蓄电池供电[9]，其他组成部分同水能发电机一样。风能发电机发电的特点与水流发电机类似，输出电压都与发电机的转速有关，转速高则输出电压高充电速度快，反之充电速度慢。

2.4 人力发电装置设计

人力发电装置是在前面三种发电方式都没有办法产生电能的情况下的最终解决方案。该装置可不依赖任何外界自然条件而产生电能为用电设备充电。人力使用可采用手摇发电、自行车带动发电等方式。该办法就是在风能或者水流发电装置的外部嵌入能够进行手摇产生转动的机械装置，以便于使它们能够产生机械旋转从而产生电能[10]。

3 结 语

本文设计的新型野外电能发生装置较好地解决了户外用电设备续航里程问题。测试表明：太阳能发电装置是几种发电方式中效果较好的方式，该方式除了受到天气条件的影响外几乎没有任何限制，在使用和发电效率方面表现出色。风能、水能、人力发电方式实际为一种模式，都是通过发电机将机械能转换为电能的，不同点在于机械能的来源不同。它们可以通过不同来源的机械能实现了各种自然限制条件的限制性互补，为能源的持续供给得到了保证。实验表明，该装置的可靠性高，野外适应能力强，适合各种类型的户外活动，不但解决了户外用电问题，也为环保出了一份力。