劉長武，周 建，吳鑫煜，辛?xí)杂?/p>

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,長春 130012)

室外多功能自發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉長武，周 建，吳鑫煜，辛?xí)杂?/p>

(長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,長春 130012)

為方便戶外運(yùn)動愛好者室外用電需求，研制開發(fā)了一套室外多功能自發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不同的發(fā)電模塊進(jìn)行發(fā)電：機(jī)械能發(fā)電、光能發(fā)電、溫差發(fā)電。經(jīng)由整流穩(wěn)壓模塊對輸入的電進(jìn)行整流和穩(wěn)壓后傳到蓄電池中，用戶只需將用電設(shè)備與USB接口連接即可室外用電。環(huán)境信息藍(lán)牙系統(tǒng)通過Arduino UNO R3控制板為控制器，利用DHT11采集環(huán)境信息，通過HC-05藍(lán)牙模塊傳至用戶的手機(jī)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析表明，發(fā)電設(shè)備可以有效地將電能輸送到蓄電池中并供用電設(shè)備使用。所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙通信功能傳輸穩(wěn)定，溫濕度信息準(zhǔn)確度較高。

自發(fā)電系統(tǒng)；藍(lán)牙通信；環(huán)境信息采集；多功能自發(fā)電

0 引言

近年來，登山、露營、徒步等戶外運(yùn)動已成為當(dāng)今中國社會的時(shí)尚，參加戶外運(yùn)動的人數(shù)逐年增加，但在戶外活動中，室外用電困難影響了人們參與戶外運(yùn)動的熱情。綜合討論后發(fā)現(xiàn)利用再生能源發(fā)電在室外使用是最好的辦法。目前，世界各國都看到可再生能源的優(yōu)勢，并大力發(fā)展可再生能源技術(shù)，技術(shù)成型且應(yīng)用較多的可再生能源有太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能、機(jī)械能、溫度、生物質(zhì)能等[1]。這些可再生能源大部分都可以在戶外遇到并被利用，潛力巨大。本項(xiàng)目并非簡單地將利用可再生能源發(fā)電的部件單獨(dú)拿出來使用，而是構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)。將各種利用可再生能源發(fā)電的發(fā)電部分設(shè)計(jì)出來，讓用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)還針對戶外活動的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多種方便用戶室外使用的工具，供用戶選擇。除此之外，本系統(tǒng)還內(nèi)置了一系列傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警周圍環(huán)境，并且通過手機(jī)藍(lán)牙與用戶通信交流，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與控制。

1 發(fā)電與用電系統(tǒng)發(fā)電能力計(jì)算

本系統(tǒng)采用可再生能源進(jìn)行發(fā)電(由于不論是風(fēng)能發(fā)電還是水能發(fā)電，其核心均是機(jī)械能發(fā)電，所以所有機(jī)械能發(fā)電裝置都以自行車發(fā)電裝置統(tǒng)一代替)，發(fā)電系統(tǒng)采用了市場上比較普遍的自行車發(fā)電裝置(機(jī)械能)、太陽能板發(fā)電模塊(光能)、溫差發(fā)電模塊這3類主要發(fā)電模塊作為目前系統(tǒng)的初始發(fā)電部分。其中代表機(jī)械能發(fā)電模塊的自行車發(fā)電裝置的規(guī)格為12 V/6 W，需要自行車踩踏旋轉(zhuǎn)使其發(fā)電。根據(jù)資料表明，一般自行車騎行者在身體狀況良好與道路情況合適的條件下，騎行速度為V=20 km/h時(shí)，可以讓發(fā)電裝置達(dá)到額定值。取在這種理想狀態(tài)下，設(shè)騎行時(shí)間1 h，根據(jù)公式：

W=P×t。

(1)

式中:W為產(chǎn)生的電能；P為根據(jù)發(fā)電設(shè)備而確定的發(fā)電功率W；t為發(fā)電總時(shí)間h。則產(chǎn)生電能為：6/1 000×1=0.06 kWh=0.006(度)。發(fā)電機(jī)在工作過程中存在許多損耗，包括鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗以及附加損耗等。損耗功率一般占總功率的5%，所以實(shí)際發(fā)電裝置能發(fā)0.005 7度電。發(fā)電裝置所產(chǎn)生的電經(jīng)過穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)定輸出，其中，穩(wěn)壓裝置同樣會有5%的功率損耗，所以實(shí)際經(jīng)過發(fā)電裝置和穩(wěn)壓器能產(chǎn)生0.005 415度電。假設(shè)每天能騎行2 h，那么一年按365 d計(jì)算就能產(chǎn)3.95 295度電。

由于單個(gè)發(fā)電裝置功率小，則采取同種類串聯(lián)的方式提高輸出電壓，保證輸出理想值的電能。系統(tǒng)選用了2塊單塊面積為110 mm×135 mm、光電轉(zhuǎn)換效率為17.5%的太陽能電池板，將兩塊串聯(lián)使用。年發(fā)電量理論值計(jì)算公式如式(2)：

理論年發(fā)電量=年平均太陽輻射總量×電池總面積×光電轉(zhuǎn)換效率。

(2)

將數(shù)據(jù)代入后可得：

理論年發(fā)電量=5 555.339×0.027 9×17.5%=8(度)

(3)

但是，太陽能電池板輸出的直流功率是電池板的標(biāo)稱功率。在現(xiàn)場運(yùn)行的太陽能電池板往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)測試條件，考慮太陽能電池板出廠誤差、光照強(qiáng)度、落塵、光照角度等因素的影響，太陽能電池板輸出功率的系數(shù)按65.7%計(jì)算。太陽能年發(fā)電量計(jì)算公式如式(4)：

光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際年發(fā)電量=理論年發(fā)電量×實(shí)際發(fā)電效率。

(4)

經(jīng)計(jì)算，兩塊單塊面積為110 mm×135 mm、光電轉(zhuǎn)換效率為17.5%的太陽能電池板年發(fā)電量為5.256度。

溫差發(fā)電模塊在溫差達(dá)到100 ℃時(shí)理想狀態(tài)下輸出為4.8 V/669 MA，且工作溫度在-40～150 ℃之間[2]。為了使模塊發(fā)電效率最大化，例如用戶可以在戶外野炊時(shí)將溫差發(fā)電模塊一面貼于鍋爐壁上讓燒開的熱水為其加熱，另一面可通過冷水來充分散熱。保證兩面保持較大溫差，并且保證冷面越冷的情況下輸出功率會越高。經(jīng)過實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，由于溫差發(fā)電是利用塞貝克原理發(fā)電，其效率相對較低，所以在實(shí)際使用時(shí)采取兩塊串聯(lián)來保證開路電壓可以達(dá)到7 V左右，由于電流不好測量，根據(jù)說明書給出的參數(shù)取發(fā)電電流為600 mA，功率可達(dá)到4.2 W。假設(shè)用戶一天使用溫差發(fā)電2 h根據(jù)式(1)：

產(chǎn)生電能為：

4.2/1 000×2=0.0084 kWh=0.008 4(度)

那么該溫差發(fā)電模塊的年發(fā)電量就有：

0.008 4×635=3.066度電。

2 系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境采集與通信系統(tǒng)采用的控制器是以atmega328為核心處理器的Arduino UNO R3控制板，在外圍加入溫濕度采集模塊DHT11與藍(lán)牙模塊HC-05。其工作流程為：先由DHT11采集外界環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)由arduino控制板處理后，通過藍(lán)牙模塊向用戶傳輸周圍環(huán)境信息，以此構(gòu)成控制系統(tǒng)部分，控制器原理框圖如圖1所示。

用電與發(fā)電系統(tǒng)組成如圖2所示，通過不同的發(fā)電模塊(如機(jī)械能發(fā)電，光能發(fā)電，溫差發(fā)電等)進(jìn)行發(fā)電并經(jīng)由整流穩(wěn)壓模塊對輸入的電進(jìn)行整流和穩(wěn)壓后傳到蓄電池中進(jìn)行儲存，當(dāng)用戶需要使用時(shí)則將用電設(shè)備與系統(tǒng)USB口連接即可。

圖1 控制器原理框圖

圖2 發(fā)電與用電系統(tǒng)整體原理框圖

2.1 整流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)[3]

完成整流這一過程時(shí)需要由整流二極管構(gòu)成的橋式電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，此處采用db207s芯片進(jìn)行整流。轉(zhuǎn)化后電壓需要去掉紋波，采用并聯(lián)多個(gè)大小不同的電容對高次諧波和低次諧波進(jìn)行濾波。為了使直流電保持平穩(wěn)則需要穩(wěn)壓電路，該電路采用以lm2596s芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路將輸出給電源的電壓穩(wěn)定為5 V，如圖3。

2.2 藍(lán)牙與DHT11電路的設(shè)計(jì)

該電路基于圖4，設(shè)計(jì)較為簡單，HC-05藍(lán)牙芯片的tx和rx分別與Arduino rx和tx相連，DHT11數(shù)字信號輸出引腳接Arduino輸入，并且由Arduino控制板電源供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在程序方面結(jié)構(gòu)清晰，編程難度不高。系統(tǒng)模塊分為主控模塊、藍(lán)牙模塊、溫濕度采集與計(jì)算模塊[4]。系統(tǒng)采用C語言編寫程序，主程序流程圖如圖5所示。為了提高采集數(shù)據(jù)的精度則需采用雙精度計(jì)算，保證了結(jié)果能在最小誤差范圍以內(nèi)。DHT11可以采集溫度與濕度，而濕度為相對濕度。所以還可以通過計(jì)算露點(diǎn)來確定空氣的絕對濕度，來獲得更多的環(huán)境參數(shù)。這里就得用到絕對濕度的計(jì)算公式，以及溫濕度露點(diǎn)對照表。將采集到的這些數(shù)據(jù)經(jīng)由藍(lán)牙模塊傳給用戶，讓用戶實(shí)時(shí)掌握當(dāng)前環(huán)境情況，給出預(yù)警。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

在保證發(fā)電模塊達(dá)到理想的輸出功率后，用電設(shè)備使用2.2 W的LED燈代替，經(jīng)過對系統(tǒng)的多次發(fā)電與充電測試與計(jì)算預(yù)測，理論上用機(jī)械能發(fā)電7 h可將電充滿，用太陽能發(fā)電設(shè)備發(fā)電11 h可將電充滿，溫差發(fā)電13 h可將電充滿，LED燈可使用19 h。實(shí)際上，當(dāng)機(jī)械發(fā)電1 h LED可用2.5 h，太陽能發(fā)電1小時(shí)30分鐘LED可用1 h，而溫差發(fā)電由于條件限制暫時(shí)無法達(dá)到理想狀態(tài)，發(fā)電1 h只可用40 min。

圖3 整流穩(wěn)壓電路

圖4 通信與DHT11電路

在進(jìn)行通信距離的測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使在有障礙物(水泥墻)的情況下在10 m內(nèi)通信功能良好，15 m左右也可通信，但手機(jī)接收速度變慢。

由于該系統(tǒng)尚處在模型階段，硬件組裝均為手工，不能確定該系統(tǒng)的使用壽命。并且溫差發(fā)電模塊由于條件限制，無法達(dá)到理想狀態(tài)發(fā)電。

綜上所述，該系統(tǒng)由于造價(jià)較低且手工組裝，使得系統(tǒng)不能保障使用壽命足夠長，但是各個(gè)功能完善且可較好地實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了節(jié)約能源、方便用戶的目的，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖5 主程序流程圖

[1] 張偉波,潘宇超,崔志強(qiáng),等.我國新能源發(fā)電發(fā)展思路探析[J].中國能源,2012(4):26-28.

[2] 趙建云,朱冬生,周澤廣,等.溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J].電源技術(shù),2010(3):310-313.

[3] 馮平,張治中.基于可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317的直流穩(wěn)壓電源[J].電子測試,2009(5):70-73.

[4] 李俊,張曉東.基于單片機(jī)的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)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年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201611437109)

劉長武(1964-)，男(漢)，內(nèi)蒙古通遼，助理研究員 主要研究自動控制技術(shù)。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.017

TP273.5

A

1009-8984(2017)02-0068-04