王光偉，胡智軍，王亮，李鴻裕

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

一種新型自動追光發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶

王光偉，胡智軍，王亮，李鴻裕

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津300222）

開發(fā)了一種新型自動追光發(fā)電烹飪兩用太陽灶。這種太陽灶是由灶體、四象限雙軸光電跟蹤控制裝置和光伏發(fā)電板組成的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動跟蹤太陽，在烹飪時間之外，利用光伏板發(fā)電并存入蓄電池為控制裝置供電，具有智能化、自動化、高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，提高了太陽能利用率。整個系統(tǒng)具有成本低、運行平穩(wěn)、功能易實現(xiàn)的優(yōu)勢，有較好的市場推廣應(yīng)用潛力。

太陽能熱利用；智能太陽灶；雙軸光電跟蹤；太陽能光伏發(fā)電

當(dāng)前，能源短缺和環(huán)境污染是全球性的2大突出問題。依靠科技進步節(jié)能減排和開發(fā)利用可再生清潔能源是解決這些問題的首選方案。在綠色可再生能源中，太陽能首屈一指，它具有分布范圍廣、取之不盡、用之不竭、總量巨大、可直接利用和對環(huán)境無毒害等優(yōu)點。當(dāng)然，太陽能也有諸如分散、不穩(wěn)定、利用效率低和設(shè)備成本高等缺點。許多國家認識到社會的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)著力于用清潔能源逐步取代常規(guī)能源，以減少污染物排放，保護環(huán)境。因此，太陽能利用技術(shù)和設(shè)施的研發(fā)愈來愈受到重視。目前，成熟的太陽能熱利用裝置之一是太陽灶。太陽灶可應(yīng)用到農(nóng)村、工礦企業(yè)、部隊和學(xué)校等，與日常生活息息相關(guān)。傳統(tǒng)太陽灶功能單一，主要用于烹任。隨著生活水平的提高，人們需要更智能化、自動化的太陽灶產(chǎn)品。

為實現(xiàn)太陽灶的自動化、智能化，本文提出一種新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶。該設(shè)備具有自動跟蹤太陽的功能；不進行炊事時，通過太陽灶聚光發(fā)電，以提高光伏板的發(fā)電功率；烹飪時，移開光伏板，可做飯、燒水等。光伏板發(fā)的電儲存在鋰電池中，為跟蹤控制電路供電，形成一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。本文對這種新型太陽灶的追光方式及軟、硬件進行了設(shè)計，通過實物的制作與調(diào)試，驗證了其在應(yīng)用推廣中的優(yōu)勢。

1　系統(tǒng)總體構(gòu)成

新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶采用STM32系列單片機作為微控制器，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核控制器，其內(nèi)核芯片體積小、功能強大，可滿足系統(tǒng)對控制器的要求。內(nèi)部集成了很多功能模塊，用戶可以根據(jù)需求隨意調(diào)用，不需要再額外設(shè)計外圍附加電路，且控制精度高、運行速度快。本設(shè)計采用內(nèi)部集成的實時時鐘控制器（real time controller，RTC）時鐘模塊和內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號。機械結(jié)構(gòu)采用太陽方位角和仰角2部分控制。方位角采用直流減速電機齒輪傳動控制，仰角采用直流推桿電機退出、收縮控制。整個設(shè)計分為2部分，即太陽跟蹤控制部分和光伏發(fā)電部分。

2　四象限追光設(shè)計

太陽灶追光采用光電跟蹤的方式，利用光電傳感器來偵測太陽的高度角和方位角。對太陽灶來說，在太陽垂直照射的條件下，若各個方向的光照強度相同，光電傳感器輸出信號為1；若不同，輸出信號為0。根據(jù)傳感器的信號決定太陽灶轉(zhuǎn)動，如果信號表示左邊光強大，則控制方位角電機轉(zhuǎn)動使太陽灶向左邊轉(zhuǎn)動。在追光過程中，采用先調(diào)整方位角、后調(diào)整仰角來實現(xiàn)雙軸精確跟蹤太陽。該跟蹤模式具有精度高、速度快的特點，但對光電傳感器的靈敏度和控制電路的響應(yīng)要求較高。

在傳感器選擇中，光電傳感器以及光照度傳感器的種類和型號很多，但是在室外太陽光下，用于該系統(tǒng)卻出現(xiàn)超出量程的現(xiàn)象。在這種情況下，本文設(shè)計了一個功能類似的傳感器，用光敏二極管陣列做一個感光平面來檢測太陽位置。光線直線示意圖和光線斜射示意圖如圖1和圖2所示。柱體底部為一個感光平面，對角線劃分的4個區(qū)域表示4個感光象限。圖1表示太陽光直射，光線照射到底面，形成圓形光斑，光線與下方的感光平面垂直。圖2表示太陽光斜射，照射到了圓形光斑外的左側(cè)區(qū)域，說明太陽光不與感光平面垂直，需調(diào)節(jié)其方位角和仰角使光線與感光平面垂直。實驗表明，當(dāng)太陽光線照在圓形區(qū)域左右時應(yīng)調(diào)整方位角，照在圓形區(qū)域上下時應(yīng)調(diào)節(jié)仰角，這樣才能使感光平面與太陽光垂直。將光電傳感器安裝在太陽灶上，通過控制系統(tǒng)調(diào)整角度，使太陽灶最大圓平面與感光平面平行、感光平面與太陽光垂直，從而使太陽灶的聚光效果最好，實現(xiàn)太陽灶的雙軸追光效果。

圖1　光線直射示意圖

圖2　光線斜射示意圖

3　硬件設(shè)計

這種新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶的硬件由微控制器、光電傳感器、驅(qū)動電機、光伏充電控制器、鋰離子蓄電池、電源電路、推桿電機以及減速電機組成，如圖3所示。

圖3　新型發(fā)電烹飪兩用太陽灶的硬件組成框圖

系統(tǒng)采用STM32F103系列單片機，它具有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的ARM Cortex-M3核心，具有體積小、功能強、可滿足系統(tǒng)對追光控制等要求。

方位角轉(zhuǎn)動采用微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達，具備2個特點：①渦輪蝸桿減速電機有自鎖性，即在馬達沒電的情況下，輸出軸不動，自行鎖定，自鎖力是額定扭矩的1.2倍；②減速箱輸出軸方向與馬達軸是垂直布置，整個馬達體輸出軸比普通減速馬達短，適用于一些對安裝尺寸有要求的場合。

仰角執(zhí)行器采用推桿電機，它利用電機經(jīng)過蝸輪蝸桿減速，配合絲桿螺母，把電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，同時通過轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)來控制電動推桿的伸縮，從而調(diào)控太陽灶的仰角。

電機驅(qū)動采用大電流低阻抗的MC 33886模塊，工作電壓為5～12 V，最大驅(qū)動電流為5 A，該驅(qū)動具有短路保護、欠壓保護、過熱保護等功能，且電路板具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于安裝的特點，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　電機驅(qū)動MC33886電路圖

4　軟件設(shè)計

新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶是將四象限雙軸光電跟蹤系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)進行搭配，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)程序的設(shè)計流程采用模塊化的編程思路，采用C語言編程實現(xiàn)。設(shè)計中，時鐘程序和中斷程序先進行初始化處理。由于光照強度較弱時太陽灶利用價值不大，因此在9∶30～15∶30太陽光照較強的時段，系統(tǒng)執(zhí)行智能追光程序，控制器首先讀取光電傳感器傳來的電參數(shù)，偵測灶體與太陽的相對位置，如果太陽灶的灶面沒有正對太陽，則通過控制電機轉(zhuǎn)動使太陽灶正對太陽。在光強較弱的時段，系統(tǒng)處于低功耗待機狀態(tài)，減少蓄電池電量的消耗，從而使整個系統(tǒng)的耗電量減小，達到自給自足的目的，形成真正的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。本研究作品實物制作和調(diào)試已經(jīng)完成，各項性能指標(biāo)均達到預(yù)期設(shè)計的要求，追光靈敏度高，不需要人工操作，運行穩(wěn)定，可靠性強，太陽灶實物圖如圖6所示。

5　存在的問題及展望

圖5　系統(tǒng)軟件設(shè)計程序流程圖

圖6　新型自動追光發(fā)電烹飪兩用太陽灶實物圖

在系統(tǒng)的設(shè)計和制作過程中，對太陽能光熱、光電系統(tǒng)以及傳感控制系統(tǒng)有了全新的認識，但是在設(shè)計和制作中還有很多不足之處，如電路的硬件結(jié)構(gòu)不夠小，不夠精簡；集成化程度低的控制電路板，不利于產(chǎn)品化；新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶的整機體積較大，安裝和拆卸不太方便。系統(tǒng)的電子電路功能基本完善，但在電路和機械工藝設(shè)計上還較為復(fù)雜。在今后的研發(fā)過程中，還應(yīng)在便攜和電路集成化上多下功夫，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使控制電路集成化、簡單化，外部機械結(jié)構(gòu)更加小巧和美觀。

目前的設(shè)計只針對太陽灶的聚光發(fā)電和自動跟蹤太陽。在后續(xù)的研發(fā)中，應(yīng)考慮在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增大光伏發(fā)電量，使其在不影響正常烹飪情況下，實現(xiàn)發(fā)電量的最大化。這樣不僅能供系統(tǒng)正常運行，還能額外儲存一部分電能在鋰電池中，以供其他小型負載使用。

6　結(jié)束語

本文研發(fā)了一種新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶，并對實物進行了制作和調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明其功能基本實現(xiàn)。本項目將傳統(tǒng)太陽灶自動化、智能化和多用途化。這種新型發(fā)電烹飪兩用智能太陽灶的控制電路簡單，易于實現(xiàn)，具有性價比高、可靠性高、功耗低、抗干擾性較強等優(yōu)點。最具特色的是，雖然是電路控制系統(tǒng)，但它有自己的發(fā)電系統(tǒng)來充當(dāng)電源，不需要額外供電，用戶無須操作，為綠色環(huán)保產(chǎn)品，具有潛在的市場推廣價值。

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A smart dual-use automatic sunlight-tracking solar cooker with both electricity generation and cooking

WANG Guang-wei，HU Zhi-jun，WANG Liang，LI Hong-yu
（School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A novel automatic sunlight-tracking dual-purpose solar cooker with both solar power generation and cooking is developed，which is mainly composed of stove，four-quadrant biaxial photoelectric-tracking control part and photovoltaic power generation part.This system，which constitutes a closed-loop system，can automatically track the sun and generate electricity by using photovoltaic panels，deposited in storage batteries to supply power for control device.It has the characteristics of intelligence，automation，high efficiency，energy saving and environmental protection，thus greatly improving the use ratio of solar energy.The whole system has the advantages of low cost，stable operation，and easy implementing functions.It has a wide potential of popularization and application in current market.

solar energy thermal utilization；smart solar cooker；biaxial photoelectric tracking；solar photovoltaic power generation

TK513.4，TK514，TK515

A

2095－0926（2015）04－0015－03

2015-11-05

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410066001）；天津市太陽能利用工職業(yè)培訓(xùn)包項目（TJPXB2-7）.

王光偉（1971—），男，教授，博士后，碩士生導(dǎo)師，研究方向為新型光伏電池和太陽能利用新技術(shù).