刘长武，周 建，吴鑫煜，辛晓雨

(长春工程学院电气与信息工程学院,长春 130012)

室外多功能自发电系统的研究与设计

刘长武，周 建，吴鑫煜，辛晓雨

(长春工程学院电气与信息工程学院,长春 130012)

为方便户外运动爱好者室外用电需求，研制开发了一套室外多功能自发电系统。该系统通过不同的发电模块进行发电：机械能发电、光能发电、温差发电。经由整流稳压模块对输入的电进行整流和稳压后传到蓄电池中，用户只需将用电设备与USB接口连接即可室外用电。环境信息蓝牙系统通过Arduino UNO R3控制板为控制器，利用DHT11采集环境信息，通过HC-05蓝牙模块传至用户的手机。实验测试结果与分析表明，发电设备可以有效地将电能输送到蓄电池中并供用电设备使用。所设计的蓝牙通信功能传输稳定，温湿度信息准确度较高。

自发电系统；蓝牙通信；环境信息采集；多功能自发电

0 引言

近年来，登山、露营、徒步等户外运动已成为当今中国社会的时尚，参加户外运动的人数逐年增加，但在户外活动中，室外用电困难影响了人们参与户外运动的热情。综合讨论后发现利用再生能源发电在室外使用是最好的办法。目前，世界各国都看到可再生能源的优势，并大力发展可再生能源技术，技术成型且应用较多的可再生能源有太阳能、风能、水能、潮汐能、机械能、温度、生物质能等[1]。这些可再生能源大部分都可以在户外遇到并被利用，潜力巨大。本项目并非简单地将利用可再生能源发电的部件单独拿出来使用，而是构建一个系统。将各种利用可再生能源发电的发电部分设计出来，让用户根据自身需求进行选择。本系统还针对户外活动的特点，设计了多种方便用户室外使用的工具，供用户选择。除此之外，本系统还内置了一系列传感器，实时监控预警周围环境，并且通过手机蓝牙与用户通信交流，方便用户进行数据的读取与控制。

1 发电与用电系统发电能力计算

本系统采用可再生能源进行发电(由于不论是风能发电还是水能发电，其核心均是机械能发电，所以所有机械能发电装置都以自行车发电装置统一代替)，发电系统采用了市场上比较普遍的自行车发电装置(机械能)、太阳能板发电模块(光能)、温差发电模块这3类主要发电模块作为目前系统的初始发电部分。其中代表机械能发电模块的自行车发电装置的规格为12 V/6 W，需要自行车踩踏旋转使其发电。根据资料表明，一般自行车骑行者在身体状况良好与道路情况合适的条件下，骑行速度为V=20 km/h时，可以让发电装置达到额定值。取在这种理想状态下，设骑行时间1 h，根据公式：

W=P×t。

(1)

式中:W为产生的电能；P为根据发电设备而确定的发电功率W；t为发电总时间h。则产生电能为：6/1 000×1=0.06 kWh=0.006(度)。发电机在工作过程中存在许多损耗，包括铁损耗、铜损耗、机械损耗以及附加损耗等。损耗功率一般占总功率的5%，所以实际发电装置能发0.005 7度电。发电装置所产生的电经过稳压器转换为5 V稳定输出，其中，稳压装置同样会有5%的功率损耗，所以实际经过发电装置和稳压器能产生0.005 415度电。假设每天能骑行2 h，那么一年按365 d计算就能产3.95 295度电。

由于单个发电装置功率小，则采取同种类串联的方式提高输出电压，保证输出理想值的电能。系统选用了2块单块面积为110 mm×135 mm、光电转换效率为17.5%的太阳能电池板，将两块串联使用。年发电量理论值计算公式如式(2)：

理论年发电量=年平均太阳辐射总量×电池总面积×光电转换效率。

(2)

将数据代入后可得：

理论年发电量=5 555.339×0.027 9×17.5%=8(度)

(3)

但是，太阳能电池板输出的直流功率是电池板的标称功率。在现场运行的太阳能电池板往往达不到标准测试条件，考虑太阳能电池板出厂误差、光照强度、落尘、光照角度等因素的影响，太阳能电池板输出功率的系数按65.7%计算。太阳能年发电量计算公式如式(4)：

光伏发电系统实际年发电量=理论年发电量×实际发电效率。

(4)

经计算，两块单块面积为110 mm×135 mm、光电转换效率为17.5%的太阳能电池板年发电量为5.256度。

温差发电模块在温差达到100 ℃时理想状态下输出为4.8 V/669 MA，且工作温度在-40～150 ℃之间[2]。为了使模块发电效率最大化，例如用户可以在户外野炊时将温差发电模块一面贴于锅炉壁上让烧开的热水为其加热，另一面可通过冷水来充分散热。保证两面保持较大温差，并且保证冷面越冷的情况下输出功率会越高。经过实际使用发现，由于温差发电是利用塞贝克原理发电，其效率相对较低，所以在实际使用时采取两块串联来保证开路电压可以达到7 V左右，由于电流不好测量，根据说明书给出的参数取发电电流为600 mA，功率可达到4.2 W。假设用户一天使用温差发电2 h根据式(1)：

产生电能为：

4.2/1 000×2=0.0084 kWh=0.008 4(度)

那么该温差发电模块的年发电量就有：

0.008 4×635=3.066度电。

2 系统各部分硬件设计

环境采集与通信系统采用的控制器是以atmega328为核心处理器的Arduino UNO R3控制板，在外围加入温湿度采集模块DHT11与蓝牙模块HC-05。其工作流程为：先由DHT11采集外界环境温湿度数据，经由arduino控制板处理后，通过蓝牙模块向用户传输周围环境信息，以此构成控制系统部分，控制器原理框图如图1所示。

用电与发电系统组成如图2所示，通过不同的发电模块(如机械能发电，光能发电，温差发电等)进行发电并经由整流稳压模块对输入的电进行整流和稳压后传到蓄电池中进行储存，当用户需要使用时则将用电设备与系统USB口连接即可。

图1 控制器原理框图

图2 发电与用电系统整体原理框图

2.1 整流稳压电路的设计[3]

完成整流这一过程时需要由整流二极管构成的桥式电路将交流电转化为直流电，此处采用db207s芯片进行整流。转化后电压需要去掉纹波，采用并联多个大小不同的电容对高次谐波和低次谐波进行滤波。为了使直流电保持平稳则需要稳压电路，该电路采用以lm2596s芯片构成的稳压电路将输出给电源的电压稳定为5 V，如图3。

2.2 蓝牙与DHT11电路的设计

该电路基于图4，设计较为简单，HC-05蓝牙芯片的tx和rx分别与Arduino rx和tx相连，DHT11数字信号输出引脚接Arduino输入，并且由Arduino控制板电源供电。

3 系统软件设计

该系统在程序方面结构清晰，编程难度不高。系统模块分为主控模块、蓝牙模块、温湿度采集与计算模块[4]。系统采用C语言编写程序，主程序流程图如图5所示。为了提高采集数据的精度则需采用双精度计算，保证了结果能在最小误差范围以内。DHT11可以采集温度与湿度，而湿度为相对湿度。所以还可以通过计算露点来确定空气的绝对湿度，来获得更多的环境参数。这里就得用到绝对湿度的计算公式，以及温湿度露点对照表。将采集到的这些数据经由蓝牙模块传给用户，让用户实时掌握当前环境情况，给出预警。

4 系统测试与结论

在保证发电模块达到理想的输出功率后，用电设备使用2.2 W的LED灯代替，经过对系统的多次发电与充电测试与计算预测，理论上用机械能发电7 h可将电充满，用太阳能发电设备发电11 h可将电充满，温差发电13 h可将电充满，LED灯可使用19 h。实际上，当机械发电1 h LED可用2.5 h，太阳能发电1小时30分钟LED可用1 h，而温差发电由于条件限制暂时无法达到理想状态，发电1 h只可用40 min。

图3 整流稳压电路

图4 通信与DHT11电路

在进行通信距离的测试时发现，即使在有障碍物(水泥墙)的情况下在10 m内通信功能良好，15 m左右也可通信，但手机接收速度变慢。

由于该系统尚处在模型阶段，硬件组装均为手工，不能确定该系统的使用寿命。并且温差发电模块由于条件限制，无法达到理想状态发电。

综上所述，该系统由于造价较低且手工组装，使得系统不能保障使用寿命足够长，但是各个功能完善且可较好地实现，达到了节约能源、方便用户的目的，具有一定的实际应用价值。

图5 主程序流程图

[1] 张伟波,潘宇超,崔志强,等.我国新能源发电发展思路探析[J].中国能源,2012(4):26-28.

[2] 赵建云,朱冬生,周泽广,等.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术,2010(3):310-313.

[3] 冯平,张治中.基于可调式稳压器LM317的直流稳压电源[J].电子测试,2009(5):70-73.

[4] 李俊,张晓东.基于单片机的温湿度检测与控制系统研究[J].微计算机信息,2008(17):116-118.

The Research and Design of Outdoor Multifunctional Self-generating System

LIU Chang-wu，et al.

(SchoolofElectricalandInformationTechnology，
ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to provide convenience for outdoor sports enthusiasts，and meet their needs of electricity outdoors，the outdoor multifunctional self-generating system in this paper has been designed.This system can generate electricity by various generating modules(such as mechanical power generation，photovoltaic power generation，temperature difference power generation).Through the rectifier regulator module，it can rectify the input power and the transfer to the battery after regulator.The users only need to simply connect the electrical equipment and USB interface to reach the outdoor electricity.The environmental information Bluetooth system collects environmental information through the Arduino UNO R3 control panel as the controller，by using DHT11，through the HC—05 Bluetooth module to the user’s mobile phone.The experimental results and analysis show that the power generation equipment can effectively transport electricity to the battery and supply to electrical equipment.The designed Bluetooth communication function is stable，with high accuracy of temperature and humidity information，and with a certain practical application value.

self-generating system；blue tooth communication；environmental information collection；multifunctional self-generating power

2017-03-17

2016年吉林省大学生创新创业训练计划项目(201611437109)

刘长武(1964-)，男(汉)，内蒙古通辽，助理研究员 主要研究自动控制技术。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.017

TP273.5

A

1009-8984(2017)02-0068-04