基于太阳能公交站台的手应急充电设备

2017-04-21作者陈虹廷张华通讯作者王新军孙宏宇刘缓缓辽宁师范大学物理与电子技术学院基金项目2015国家级大学生创新创业训练计划项目201510165061

电子制作 2017年4期

作者/陈虹廷、张华（通讯作者）、王新军、孙宏宇、刘缓缓，辽宁师范大学物理与电子技术学院基金项目：2015国家级大学生创新创业训练计划项目（201510165061）

基于太阳能公交站台的手应急充电设备

本文介绍了基于公交站台的太阳能应急手机充电设备，只要在有阳光的地方就能满足手机用户的需求。该设计主要由太阳能电池板、升压保护控制模块、蓄电池组、降压恒流电流选择模块和手机充电接口模块组成。给手机用户带来了便捷，不仅非常的环保，而且使用寿命长。

太阳能；快速充电；公交站台

引言

迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染,使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是一个环境保护和能源替代的问题。目前光伏电池主要应用在并网和未连网的大规模发电领域。太阳能作为一种没有任何污染的易取的绿色能源,若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境有着非常重要的意义和广阔的前景。随着城镇化建设速度的加快，公共交通系统作为现代城市的基础设施之一，当前仍然是大多数出行者的首选交通方式，所以公交站台广泛分布于城市的各处。由于智能手机以及上网的需求，手机的电量耗费很大。人们在日常出行的时候经常会有手机没电的时候，如果能利用广泛分布公交站台方便的实现手机充电的话，就解决了人们的切实所需。

综上，本项目设计了一套基于公交站台的太阳能室外手机充电设备，可实现公共场合对手机的应急充电。该装置实用性好、应用性高、具有很好的市场推广价值。

1.设计思路与总体框图

太阳能电池板把太阳能转换为电能，并通过升压控制模块将电能储存到蓄电池中,继电器1和2控制蓄电池充放电，蓄电池把储存的电能输出给降压恒流以及电流选择模块，继电器3、4和5根据用户输入的手机型号和当前电量进行电流的选择，手机充电接口模块开始倒计进行快速充电。其中MSP430单片机控制切换模块（继电器1和2）、降压恒流以及电流选择模块（继电器3、4和5）、矩阵键盘、液晶显示、手机型号及电量选择模块和充电倒计时，手机充电接口模块由多种型号的手机充电接口组成。总体框图见图1。

图1 总结构图

2.硬件电路原理

■2.1 太阳能板的选型

太阳能板可以分为单晶硅太阳能板、多晶硅太阳能板、非晶硅太阳能板、多元化合物太阳能板。鉴于单晶硅太阳能板光电转化效率最高、坚固耐用、使用寿命长的特点，因此选择单晶硅100W太阳能板。其具体参数如表1所示。

表1

■2.2 太阳能升压控制器

太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。

升压及保护控制器通过采样光伏电池的电压信号与蓄电池电压进行比较，并控制充电电路模块的导通或关断。如果控制器采样到的电压信号的电压低于蓄电池的电压，则控制器关断充电电路模块，以免蓄电池出现回流现象；如果采样到的电压信号比蓄电池电压高，则控制器导通充电电路模块，光伏电池通过充电电路模块正常为蓄电池充电。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。

（1）充电保护

电池电压超过了终值充电电压时，电池就会产生氢气和氧气并打开阀门放气。大量的析气必将导致电解液的失水损失。更何况电池即使达到终值充电电压，电池也不可能完全充满，因此充电电流不应被切断。此时，控制器由内置的传感器根据环境温度作自动调节，以控制不超过终值充电电压为条件，逐步减少充入电流至涓流状态，有效地控制蓄电池内部的氧循环复合和阴极析氢过程，最大程度的防止了蓄电池的容量衰减性老化。

（2）放电保护

电池如果没有放电保护，同样也会被损坏。当电压到达设定的最低放电电压时，控制器会自动切断负载来保护电池不被过放电。当太阳能电池板对蓄电池的充电达到控制器设定的再次启动电压时，负载才会被再次接通。

（3）过流保护

在蓄电池的回路间串联了一个保险丝，有效对蓄电池进行过流保护。

（4）提高了充电功率，支持36V蓄电池。

■2.3 蓄电池

蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用。国内广泛使用的太阳能蓄电池主要是：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。

控制模块通过采样蓄电池的电压，通过单片机控制继电器的开和关，当蓄电池超过一定电量对应了一定的电压值，则有继电器控制电路，关闭对蓄电池充电的通道；当蓄电池低于一定的电量及所对应的电压值，则关闭对蓄电池放电的通道。

假设公交车每天运行时间是10小时，5分钟来一辆公交车，那么一天公交站台有120辆公交车经过，假设以最大电流2A给手机充电，每个手机限制充电5分钟，所需要的能量总共为：120⋆2A⋆1/12h⋆5V=100W.h；蓄电池所能提供的能量为：36V⋆7Ah=252W.h。

所以，选择三个12V7Ah的蓄电池足够给手机提供电量。

■2.4 恒压恒流降压电源模块

该模块的作用是恒压恒流，需要三个模块，预先设定好恒定电压为5V，恒定电流分别为2A、1.5A、1A。用户手动输入电量后，单片机根据电量大小选择合适电流给手机充电，目前有三个电流参数可供选择：当手机电量在0%～30%时，用2A电流给手机充电；30%～70%时，用1.5A电流给手机充电；70%以上，用1A电流给手机充电。同时还具有限流保护功能，防止短路烧坏电路。

模块参数如表2所示。

表2

3.软件电路

软件设计包括：数码显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。

4.总结

本项目主要研究内容是将如何将太阳能转换为电能并进行存储，通过显示屏显示存储电量，方便乘客及时查看存储电量并给手机快速补充电量。本设计首先采用了太阳能作为能源，以达到环保节能的目的；利用广泛分布于城市各处的公交站台遮阳棚作为载体，铺设太阳能板提高了站台的复合作用；利用蓄电池技术实现太阳能的收集储存，对其充放电进行智能控制和显示，实现人们利用公交站台在室外对手机应急充电的需求。