太阳能便携式野外供电器的设计

范　英，　华权冰，　冯德思，　周世磊

(广东机电职业技术学院，广东　广州　510515)



太阳能便携式野外供电器的设计

范英，华权冰，冯德思，周世磊

(广东机电职业技术学院，广东广州510515)

摘要：设计一种供电器，由太阳能光伏电池提供电源，经过DC/DC变换后输出稳定的直流电，输入充放电控制器控制锂电池的充放电，同时满足负载的用电，实现照明、灭蚊、音乐播放、手机充电、红外报警的功能。制作的样机测试表明该供电器具备便携、多功能的特点，适用于野外旅行等场合。

关键词：太阳能； 多功能； 供电器； 野外

近年来,光伏发电技术发展迅速, 光伏产品改变着我们的生活，出现了太阳能路灯、太阳能LED屏幕、太阳能充电器等,无处不在的太阳能可以在需要用电而没有可用大电网电源的时候利用起来[1]。另外,户外野营成为许多年轻人的爱好,野营地远离生活区,没有供电网,那么将太阳能利用起来为野营提供可移动的电源无疑是相当实用的。本文设计的便携式太阳能野外供电器,集照明、灭蚊、音乐播放、手机充电、红外报警多功能于一体,既能满足野营爱好者的照明需求,又能保护野营爱好者的人身安全,还能带给野营爱好者轻松、愉快、浪漫的感受,极度符合现代人的休闲消费观。

1总体设计

便携式太阳能野外供电器的系统框图如图1所示，该系统将多块太阳能电池片串并联作为电源，在白天阳光充足时发出的电能一部分通过太阳能充放电控制器给蓄电池供电，另一部分经过DC/DC升降压后直接供给负载用电；在阳光不充足的阴雨天或夜晚时，负载由蓄电池供电。太阳能电池与蓄电池之间采用的充放电控制器能够根据蓄电压的高低来自动判断是否向负载供电，同时具有过充、过放、电子短路、过载保护,蓄电池反接保护,太阳能电池反接保护的作用。 图中的DC/DC为自动升降压电路，DC/DC完成电压匹配的功能，即根据用电器的要求，自动将输入电源的电压进行识别变换，使得照明、灭蚊、音乐播放、手机充电、红外报警功能正常实现。

图1　便携式太阳能野外供电器的系统

2模块设计

2.1负载设计

2.1.1照明灯

照明灯由十颗LED灯珠构成，每颗灯珠额定电压为5 V、总功率3 W。LED照明灯不仅使用方便、节能，而且能在各种恶劣的环境下工作，夜间工作照明，不但为营地提供光源，而且还可以吓跑野兽、指示营地位置等。

2.1.2音乐播放器

音乐播放器由内置的蓝牙芯片和两侧集成小型外放扬声器组成，额定电压为5 V，功率为3 W。蓝牙芯片采用无线电通信技术实现音乐数据传输，通信距离最大可以达10 m左右，传输速率最高可以达到1 Mb/s。通过蓝牙将扬声器与手机、平板电脑配对连接，只要控制手机、平板电脑就可以实现音乐的播放、暂停、关闭、控制音量等功能。

2.1.3灭蚊灯

灭蚊灯采用的是高亮度5050紫光LED灯，其功率为0.7 W，额定电压为3.7 V。灭蚊原理是利用蚊蝇对特殊波长的敏感性，通过光催化二氧化碳吸引蚊蝇，然后在双层电网间通过升压模块将输入的3.7 V直流电升压至1850 V左右的高压电(电流小于10 mA，对人体无害)，这时两电网间将产生有较强吸附力的静电场，当蚊虫接近电网时，能将其吸入电网间，并被产生的短路电流电毙。

2.1.4红外报警器

红外报警器的作用是用来防止野营者在野营过程中受到他人或动物的伤害[2]。由于生物体表温度与周围环境存在差别，在生物移动时，红外探测报警装置能检测到这种差别产生的变化，从而触发蜂鸣器发出警报。同时为了防止误报，可在红外探测器上安装菲涅尔透镜，将探测覆盖范围分成一定数量的探测区，当温度变化在两区之间产生时，探测器电路就触发一个信号脉冲，探测器根据信号脉冲触发警报。为了更好地提高探测灵敏度，可以设置“脉冲计数”方式，也就是说只有当探测到连续两个以上的脉冲才表示有生物入侵，才能发出入侵警报。

2.1.5USB充电接口

将太阳能电池和蓄电池输出的直流电转化为适于手机充电的5V /1A的直流电，模块输出稳定的电压输送到USB对接口，只需要将手机或者其他电子产品用数据线与USB对接口相连，便可给手机等电子产品充电。

2.2太阳能电池设计

太阳能电池按技术成熟程度分为第一代、第二代、第三代太阳能电池[3]，第一代太阳能电池主要采用单晶硅和多晶硅材料，技术发展成熟但成本较高；第二代电池基于薄膜技术，相对于晶硅电池来说，重量轻、占用空间小、柔韧性好、耐摔耐撞击、弱光性好以及高温发电性好；第三代电池为新型概念电池，仍处于概念和简单实验层次上的研究。根据野外供电器便携性的要求，需要将太阳能电池挂扣式整合在背包上，因此选择采用体积小、重量轻、弱光性强的柔性薄膜太阳能电池。另外，根据用电器的功率要求，选择的柔性薄膜电池尺寸为38 cm*16.5 cm*0.05 cm，输出电压为2 V，输出功率为0.5 W，将6片串并联后作为电源接入太阳能充放电控制器。

2.3DC/DC模块设计

DC/DC模块在整个系统中完成电压匹配的功能，由于受光照强度、温度、阴影遮蔽等因素的影响，太阳能电池的输出电能是不稳定的，而蓄电池和负载都需要工作在稳定且正常的电压和功率条件下。因此，需要在柔性薄膜电池后端接入Buck-boost自动升降压电路，即DC/DC。由于在负载选型时都将工作电压选定在5 V，因此DC/DC的作用是将变化的输入电压转换成固定的5 V，采用MC34063A芯片外接简单元件构成升降压电路，MC34063包含了DC/DC变换器的控制电路，图2为自动升降压电路。

3样机测试

为保证供电器的便携性，将柔性薄膜太阳能电池挂扣式设计在背包表面，野营者在行路时可将电池挂在背包上，停歇时将电池铺开，随时接收阳光进行发电[4]。供电器紧凑地集成在一个黑色ABS材质盒子里，集成盒长宽高为：25 cm*10 cm*6.5 cm，可手提，也可将其放入背包中，另外红外报警器和灭蚊装置为外置设计，如图3所示。

图2　自动升降压电路

图3太阳能便携式野外供电器样机实物图

测试地点：广东机电职业技术学院

测试时间：2015年10月15日早8：00点至20：00点

测试环境：晴，20~30 °C

测试方式：将背包放至操场，分别记录8：00点、10：00点、12：00点、14：00点、16：00点、18：00点、20：00点电池片的输出电、输出电流值，蓄电池的电压；测试负载工作状态。

测试结果：12个小时的测试中，所设计的供电器的工作情况如表1中样机测试数据所示，其工作状态分以下几种情况：

1)8:00开始测试，锂电池初始状态为待充电状态，太阳能电池输出一边给锂电池充电，一边供给负载用电。此时工作的负载为USB充电口、红外报警器、音乐播放器，负载工作正常。

2)到达中午时分时，太阳光直射太阳能电池板，锂电池达到放电条件和太阳能电池板共同为负载供电，此时工作的负载为USB充电口、红外报警器、音乐播放器，负载工作正常。

3)下午随着太阳光辐射强度的减弱，负载的供电由锂电池供电为主，太阳能电池供电为辅，此时工作的负载为USB充电口、红外报警器、音乐播放器，负载工作正常。

4)到了晚上，由锂电池供电，此时工作的负载为红外报警器、照明灯、灭蚊灯，负载工作正常。

表1　样机测试数据

4结语

现今这个紧张而忙碌的时代，户外野营作为释放压力的新途径被深度发掘，目前已有的太阳能电源、野营灯、灭蚊灯等用品要么功能单一，要么体积笨重，不能同时满足用户的要求，所设计的便携式供电器采用新能源技术、无污染、节能环保，具有方便携带、操作简单、成本低、故障率低、维护简便的特点，实用性强，能够满足野营者野外旅行的基本用电要求。

参考文献：

[1]范英. 用于光伏并网发电系统的级联准Z源逆变器研究[D]. 长沙：中南大学，2013.

[2]谢凯生. 红外线无线报警器的原理分析[J]. 电子世界，2014(12)：20.

[3]张中伟，张世勇，胡强. 晶硅太阳能光伏电池技术进展[J]. 东方电气评论，2013,6(27)：1-7.

[4]辛勤颖. 太阳能背包设计探析[J]. 黎明职业大学学报，2012,9(3)：81-85.

责任编辑陈桂梅

Design of outdoor portable solar power supply device

FANYing，HUAQuanbin，FENGDesi，ZHOUShilei

(Guang Dong Mechanical&Electrical College， Guangzhou510515， China)

Abstract：This paper introduces a power supply device that is powered by solar photovoltaic cells. It can output stable direct current after DC/DC converter and control the charging and discharging of lithium battery with input charge controller. It can meet the load of electricity to achieve lighting，mosquito eradication，music player，cell phone charger，infrared alarm functions. The prototype testing indicates that the power supply has the features of being portable，versatile and suitable for field trips and other occasions.

Keywords：solar energy； multi-function； power supply device； outdoor

中图分类号：TM 615

文献标志码：A

文章编号：1671-7880(2016)01-0046-03

DOI:10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.01.015

作者简介：范英(1989—)， 女，湖南常德人，助教，研究方向：新能源发电与电能质量控制；

收稿日期：2015-12-10

项目来源：“攀登计划”——广东大学生科技创新培育专项资金项目(pdjh2015b0649)

周世磊(1979—)，男，湖南常德人，助教，研究方向：行政管理、高校思想政治教育。