天津职业技术师范大学电子工程学院■王光伟 王志成 曹学聪 刘志发 陈泰

0 引言

如今，能源短缺和环境污染是亟需解决的全球性问题。化石燃料趋向枯竭，开发利用绿色可再生能源的任务十分迫切。其中，太阳能取之不尽、用之不竭，且具备可再生、分布地域广、清洁无污染、技术经济性高等优点，是理想的新能源。开发太阳能利用技术和装置是应对传统能源紧张、温室效应及环境污染等问题的有效途径。在太阳能应用方面，固定式太阳灶是较为成熟的产品，在我国许多地区已得到推广应用[1]。然而固定式太阳灶笨重、占地面积大、外出携带不方便的特点，限制了其应用场合。

本文提出了一种便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶，实现了仰角跟踪太阳、聚光烧水和光伏发电的功能。该太阳灶的大小与拉杆行李箱相当，可放置于汽车后备箱，出行携带方便；聚光产生高温，可以在外出野炊时烧开水；利用非晶硅薄膜光伏组件发电，由控制模块通过USB口输出5 V直流电压，可为手机充电；锂电池存储的电能还可为系统供电，无需外部电源。与传统太阳灶相比，本装置便携、节能、环保、可充电，具有潜在的市场前景。

1 系统整体设计与初测

为了方便携带、能适合汽车后备箱尺寸且可以汇聚更多太阳光，便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶应运而生。该太阳灶采用STC89C51单片机作为控制核心，此单片机是STC公司生产的一款低功耗、高性能的基于CMOS的 8位微控制器，具有寄存器和I/O接口资源丰富、小巧灵活、功能强大、开发周期短、稳定可靠、成本低等优点[2]，其控制电机的进退以调整太阳灶的仰角；采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器采集非晶硅薄膜光伏组件的电压数据，以此判断其对锂电池的充电量；机械结构分为灶体和铝合金支架，支架支撑灶体和直流推杆电机。

该太阳灶将灶体设计为半抛物面，以降低灶体高度，便于操作。设计灶体时，要确保灶面反射光汇聚到半抛物面的焦线附近，半抛物面的横截面是抛物线，可用公式x²=4fy表示，抛物线的焦点坐标为(0,f)[3]。灶体材料采用ABS塑胶，该种材料的耐热性能好、抗冲击能力强、化学稳定性高、密度小、重量轻，方便用户携带。灶体表面黏贴PET真空镀铝反光膜，有较强的韧性和强度，反光率可达95%以上[4-5]。

在户外对该太阳灶进行测试。当太阳光直射灶体时，反射光汇聚到焦线附近，形成明亮的焦斑，对食品级不锈钢管中的水进行加热，大约20 min便可将管中的水烧开。同时，灶体两翼的非晶硅薄膜光伏组件可产生电能，经过控制和变换后，可输出恒定的5 V电压。

2 系统硬件组成

本太阳灶由铝合金支架、抛物面灶体、食品级不锈钢加热管、单轴自动跟踪装置、硬件模块组成。其中，硬件模块包括：STC89C51单片机、光电传感模块、光伏发电模块、光伏充电控制模块、5 V电压输出模块(可给手机或充电宝充电)、电机驱动模块等。硬件组成框图如图1所示。

图1 便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶的硬件组成框图

2.1 DC/DC电压转换模块

为使锂电池充放电更稳定，采用了LTC3780自动升降压电源模块和LM2596S DC/DC降压电源模块来完成DC/DC电压转换。

不同的日期、一天中不同的时刻，太阳光的辐射强度都不相同[6]，而薄膜光伏组件输出的电压会随太阳光强度的变化而不同。DC/DC电压转换模块采用LTC3780自动升降压电源模块控制光伏组件的充电功能，在薄膜光伏组件输出电压波动时，能维持电压恒定，如光伏组件输出电压在5～12 V范围内时，该模块输出电压为12 V。LTC3780模块具有保护功能，可保证锂电池不过充；其采用阳极氧化散热片散热，相比铝片有更佳的散热效果；指示灯会在电压飘移和出现短路等故障时亮起，提示有突发状况需处理；并且还具有过压、欠压保护等功能。当外部输入电压为DC 5～32 V时，输出电压为DC 1～30 V可调，最大输出电流为10 A，最大输出功率为130 W，在-45～85 ℃的温度范围内可正常工作。转换模块使用时，用欠压保护调整方法，即调节欠压保护电位器，将输入端接稳压电源，将欠压保护电位器调至10 V，直到故障指示灯亮起，提示锂电池放电已到10 V，此时必须自动切断供电，才可更好地保护锂电池，减少损耗，延长寿命，总体上使太阳灶有更长的使用寿命。

LM2596S DC/DC降压电源模块采用LM2596开关电压调节器，输出3 A的驱动电流，具有良好的负载调节功能。该模块还可输出1.25～30 V连续可调的电压，内部振荡频率为150 kHz，功耗低、效率高，可满足电路的供电要求。当输入电压为12 V时，调节电位器使该模块输出稳定的5 V电压，为系统供电。

2.2 锂电池电量和电压监测模块

系统需要对薄膜光伏组件输出的电压进行实时监测，以防止光伏组件对锂电池过充电或反充电。电压监测采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器，由于串行输入，可节省STC89C51单片机的I/O接口资源[7]。将需要监测的电压接入TCL2543的模拟输入端，经A/D转换器转换后，电压以数字信号传入STC89C51单片机中，由LCD1602液晶屏显示当前电压及锂电池剩余电量。锂电池电量和光伏组件输出电压监测系统如图2所示。

2.3 电机驱动单轴跟踪模块

电机采用12 V的直流推杆电机，通过MC33886芯片内部的H桥电路来驱动电机的转向。MC33886芯片是飞思卡尔半导体公司生产的集成H桥驱动芯片，最大驱动电流为5 A，导通电阻约140 mΩ，输出脉宽调制(PWM)频率为10 kHz，发热量小。MC33886应用简便，通过4根输出线控制电机的正转、反转和停转，可提示欠压、短路、过热等故障状态。

H桥电路原理图如图3所示。当双极晶体管Q1、Q4导通，Q2、Q3截止时，电机M正转；当Q2、Q3导通，Q1、Q4截止时，电机M反转；当4个晶体管均截止时，电极M停转。通过电机的正转和反转来控制拉伸杆的伸缩，以实现灶体仰角的变化。

图3 H桥电路原理图

3 系统软件设计

采用keil软件平台，用C语言编程，烧录到单片机中进行调试。便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶需要光伏发电系统和仰角跟踪系统相互协调，使烧水、发电效率最大，以便达到“自给自足，不需要外加电源”的目的。用2个光敏电阻采集太阳光强，采用单端输入分别与2块PCF8591芯片连接。光敏电阻在不同的光强下有不同的阻值，电压值也会相应变化。PCF8591芯片将模拟量转换为数字量，经由单片机判断并做出相应的动作。在电路中，2个光敏电阻采集到的光强通过A/D转换器转换产生V1与V2两个电压值。在程序中，通过判断V1与V2的大小产生相应的动作。具体操作为：当V1＞V2时，电机M正转；当V1＜V2时，电机M反转。程序里设置了中断定时器，每隔0.5 s系统自动检测1次光强；为了解决电机在临界值附近的抖动，系统还设定了10 min的延时，有效解决了这一问题。通过电机控制拉伸杆的伸缩，实现了仰角的自动调节，可使太阳灶受光面积达到最大，以提高太阳能利用率。

如果长时间给锂电池充电，会缩短其寿命，因此，为延长锂电池的续航能力和使用寿命，软件会判断锂电池电量是否为100%。如果判断结果为“是”，停止充电；如果为“否”，再判断电量是否小于30%，如果为“是”，立即开始充电，为“否”，则进行浮充。

系统软件设计流程图如图4所示。

图4 系统软件设计流程图

4 存在的问题及展望

本太阳灶实现了体积小、重量轻、方便携带等预期的效果，在天气晴朗时，可同时完成烧水和发电两项任务。产品实物如图5所示。但本设计也存在一些问题，比如，较小的聚光面导致聚集的太阳光不够充足，难以短时间烧开较多的饮用水；另外，控制电路板较大，集成度不高，需要进一步精简。智能太阳灶目前只能做到仰角追光，而随着太阳方位的变化，需要手动移动太阳灶，才能更好地汇聚太阳光，以便更有效地烧水和发电。

本太阳灶的成功设计及使用，可更加方便、高效地利用太阳能。在今后的研发中，在保证当前太阳灶聚光和发电功能的基础上，将进一步优化反光膜材质和灶体，控制系统集成化，使太阳灶的性能得到进一步的提升，更加方便出行者携带和使用。

图5 便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶实物图

5 结语

本文介绍了一种便携式单轴自动跟踪烧水发电两用太阳灶。本设计采用半抛物面作为太阳灶灶体，焦线位置加装食品级不锈钢加热管，在太阳灶的两翼安装薄膜光伏组件以实现光伏发电，电机传动实现仰角追光，使烧水和发电效率趋近最大。在户外野炊时，该太阳灶能够满足人们饮用开水的需求，借助于光伏发电，还可为出行者提供备用电源，避免手机电量不足带来的麻烦。随着民众不断追求更高的生活品质，该设计可为出行野炊提供更多的选择。