太阳能发电与手摇发电相结合的户外电源

林宏博， 贾文超， 贾 卓

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

当今时代，电能与人类社会密不可分，但电力系统仍不能够被完全覆盖和完美控制。为解决在户外无电源情况下的用电问题，设计了一款将太阳能充电与手摇充电为一体的充电电源，太阳能极板将太阳能转化为电能，实现太阳能充电；而手摇发电机为锂电池充电。经过试验与电路调试，二者均可为手机及其他数码电子产品供电，且充电可靠、成本低、体积小、易携带。此外还增加了照明及电量显示功能，而且在有电源时进行提前市电220 V充电，以备不时之需。

1 系统组成

系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

锂电池能量来源有三路：手摇、太阳能、市电。分别经稳压滤波后进入充电电路，采用恒定电压为锂电池充电，确保不会过充，输入直流电压高于所充电池电压3 V即可。锂电池经稳压电路为负载提供5 V电压,此外还有照明和电量显示功能。

本设计采用太阳能电池板型号340240，工作电流830 mA，工作电压12 V，最大功率10 W，温度在-10～60 ℃，效率为18.5%。手摇发电机选用型号为SJZ-4小型发电机，额定电流0.47 A，额定电压9.8～13.6 V，额定功率5～10 W，额定转速3 000 r/min，体积100 cm×100 cm×100 cm。锂电池选用18650锂电池，充电电流为0.4 A，标准电压3.7 V，额定容量1 200 mA·h。

2 硬件电路设计

文中采用Multisim仿真软件实现电路调试与仿真，电路分为手摇充电电路、太阳能充电电路、市电充电电路、锂电池充电电路、电量显示电路以及输出负载电路。

2.1 锂电池充电电路

锂电池充电电路如图2所示。

图2 锂电池充电电路

图中主要基于TL431三段可调分流基准源实现对锂电池充电，采用恒定电压给电池充电，确保不会过充，输入直流电压高于电池电压3 V即可，R4、Q3、R5、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、R6、R7组成可调恒流电路，Q1、R2、R3、LED为充电显示电路，随着充电电池电压上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R1上的压降将降低，从而使Q1截止，LED熄灭。手摇、太阳能板、市电经电力变换可分别接入该充电电路供电。

2.2 手摇充电电路

在电源箱上安装一个可以折叠的手摇柄，并连接在发电机上，通过齿轮转动带动电机转子做磁力切割产生交流电。手摇充电电路如图3所示。

图3 手摇充电电路

本设计采用SJZ-4型小型手摇发电机，额定电流0.47 A，额定电压9.8～13.6 V，以交流10 V电源仿真，额定功率5～10 W，额定转速3 000 r/min，通过二极管1N4007整流，接到锂电池充电电路的输入端，锂电池充电后经LM317稳压到直流5 V为负载供电。发光二极管点亮，显示当前为手摇充电。

LM317与三端固定式的外形和管脚的编号相同，但管脚功能有区别，它是由输出电压可调的稳压器在三端固定式基础上发展而成的，只需少量的外围元件就可以组成精密可调的稳压电路。三个管脚分别为输入端Ui、电压调整端ADJ和输出端Uo，没有地端。当输入电压在0～40 V范围内变化时，电路均能正常工作，此时输出端与调整端的电位差为1.25 V，如果把调整端接地，它就成为输出为1.25 V的固定输出三端稳压器。可见，三端固定式稳压器LM317输出多变灵活，可根据负载调节，也可接多种负载。LM317典型电路如图4所示。

其中D1用于防止输入短路时，输出滤波电容C3上存储的电荷产生的放电电流损坏稳压器；D2用于防止输出短路时，C2通过调整端放电而损坏稳压器。R1、RW构成取样电路，调剂RW可以调节输出电压的大小。

2.3 太阳能充电电路

太阳能极板选用迪晟公司340240型号的单晶硅太阳能PV板，工作电流830 mA，工作电压12 V，最大功率10 W。由于发出的是直流电，太阳能板只需经防反二极管与锂电池相连，向锂电池充电储能，再经稳压电路稳压后输出直流5 V。发光二极管点亮，显示当前为太阳能极板充电,太阳能极板充电电路如图5所示。

2.4 市电充电电路

市电供电模块电路如图6所示。

图5 太阳能极板充电电路

市电供电通过变压器和电桥进行降压整流到23.4 V直流电压，经电容滤波后通过锂电池充电电路为锂电池提供能量来源进行充电，最后通过稳压电路输出直流5 V，为负载供电，绿色LED灯亮。

2.5 电量显示电路

锂电池电量显示电路如图7所示。

图7 电量显示电路

TL431是为LM324提供2.5 V恒定电压作比较，亮灯的最低电压，理论上用电阻分压计算，如低灯为4.7 kΩ+510 Ω+510 Ω+510 Ω+510 Ω与10 kΩ分压；中低灯为4.7 kΩ+510 Ω+510 Ω+510 Ω与510 Ω+10 kΩ分压。此电路稍作改善，当电压低于3.6 V时，LED灯不亮；3.6～3.8 V时，亮一个灯；3.8～4.0 V时，亮两个灯；4.0～4.1 V时，亮三个灯；4.1～4.2 V时，亮四个灯；4.2 V时，亮五个灯，以此来显示锂电池电量的剩余。

2.6 输出负载电路

手摇输出负载电路如图8所示。

图8 手摇输出负载电路

此电路为手摇发电机供直流5 V和交流220 V输出电路，手摇发电机模拟发出10 V交流电，经变压器变为交流220 V为负载供电，另一个路径是通过整流，转换为直流电，再经LM7805固定输出正稳压器以恒定直流5 V为负载提供电源。LM7805三端IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定，应用广泛，7805输入电压不大于36 V，输出电压在4.8～5.2 V，压差2 V，最大输出电流为1.5 A，7805的典型应用电路也已用在图8的电路中，试验仿真符合此电路输入输出设计，但在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装散热器，当然，小功率的条件下不用。

输出负载电路如图9所示。

图9 输出负载电路

此为三路充电再输出的负载电路，输出可以接USB接口，也可以通过LED驱动电路接LED灯负载。

3 实验与仿真

基于Multisim仿真软件对电路进行仿真模拟，输入输出都达到了理论的电压电流，仿真结果分别如图10～图13所示。

图10 太阳能光伏极板仿真输出

4 结 语

主要完成了手摇、太阳能极板的发电，以及手摇直接为小型用电设备供电的电路及仿真，从理论上证实了其可能性和可行性，并搭建实物平台进行验证，本设计合理可行，具有一定现实意义。由于硬件以及实验条件有限，仅做了Multisim电路试验与仿真，后期的改进与完善还有待进一步研究。文中还有一些可以延续和深入研究的功能，比如如何控制手摇发电机为电池充电和独立发电二者的切换；可以将储能后的电池作为电源，再发出交流220 V的电力。这样一来，也可以在户外等没有电源的情况下使用一些大功率器件。