太陽(yáng)能的設(shè)計(jì)應(yīng)用在市場(chǎng)上已經(jīng)司空見慣，但立足于西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，結(jié)合當(dāng)?shù)厝嗣裆瞵F(xiàn)狀的太陽(yáng)能產(chǎn)品并不多見。本文從環(huán)境保護(hù)和西藏地區(qū)人們的生活習(xí)慣的角度出發(fā)，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款環(huán)?？煽康奶?yáng)能多功能移動(dòng)電源箱?？梢哉f(shuō)，本設(shè)計(jì)將解決西藏邊遠(yuǎn)地區(qū)人民的用電難問(wèn)題。

1 方案設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能是天然可再生能源。它資源豐富，既可無(wú)限制的免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。目前雪域高原是我國(guó)污染最輕、環(huán)境保護(hù)最好的地區(qū)，西藏作為我國(guó)乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障，生態(tài)環(huán)境的保障至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)基于西藏地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源和藏區(qū)人們的生活現(xiàn)狀的的考慮，利用太陽(yáng)能供電并結(jié)合人們?nèi)粘Ｉ钏瓒O(shè)計(jì)。既符合環(huán)保要求又方便攜帶，解決了西藏地區(qū)人民基本的日常用電需要，可作為綠色環(huán)保產(chǎn)品推廣，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件框圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文整體設(shè)計(jì)硬件框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示，電源箱有太陽(yáng)光和常規(guī)市電兩路能量來(lái)源。當(dāng)蓄電池饋電時(shí)，在陽(yáng)光充足的情況下首先利用太陽(yáng)能充電，其次通過(guò)220 V電源給蓄電池充電。兩種輸入方式相結(jié)合，方便而且環(huán)保。將兩種輸入能量通過(guò)濾波穩(wěn)壓電路，然后給蓄電池進(jìn)行充電。其中的過(guò)充過(guò)放保護(hù)電路主要是利用繼電器電路模塊檢測(cè)蓄電池的電量；當(dāng)過(guò)充的時(shí)候斷開充電主回路；當(dāng)蓄電池電壓降到一定范圍的時(shí)候接通充電回路；當(dāng)檢測(cè)到過(guò)放的時(shí)候斷開用電器電路，防止過(guò)充過(guò)放，起到對(duì)蓄電池保護(hù)的作用，整個(gè)電路都是由蓄電池供電。該系統(tǒng)有多路輸出端口，既可供LED 照明和為手機(jī)、MP3、收音機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電還可輸出220 V交流電壓供小功率家用電器工作。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)

2.2 市電供電模塊

本設(shè)計(jì)所有電路均基于Multisim仿真軟件的應(yīng)用。圖2 為市電充電模塊電路，當(dāng)電源接通后紅色指示燈LED1 點(diǎn)亮，否則熄滅。此電路通過(guò)變壓器和電橋電路將220 V 市電轉(zhuǎn)為28.4 V 直流電壓，再經(jīng)過(guò)RC 振蕩電路進(jìn)行濾波穩(wěn)壓后送入LM7815三端穩(wěn)壓模塊，輸出穩(wěn)定的直流15 V 電壓，然后通過(guò)過(guò)沖保護(hù)電路給蓄電池充電。開關(guān)Key1為供電模式手動(dòng)選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)J1連接時(shí)為選擇市電充電，則紅色LED1 亮。開關(guān)J2 連接時(shí)為選擇太陽(yáng)能充電，則紅色LED2亮，如1、2所示。

圖2 市電供電模塊

2.3 太陽(yáng)能供電模塊

在圖3所示的太陽(yáng)能供電模塊電路中。當(dāng)Key1接J2時(shí)，選擇太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，此時(shí)紅色LED2點(diǎn)亮。電路首先通過(guò)整流二極管1N5404整流，然后經(jīng)RC濾波電路濾波，最后通過(guò)穩(wěn)壓二極管1N47744 將電壓穩(wěn)定為直流15 V,再通過(guò)過(guò)充保護(hù)電路為蓄電池充電。其中1N5404硅整流二極管，其最大反向峰值電壓為400 V,最大半波整流電流為3 A。穩(wěn)壓二極管1N4744最大功耗為1 mW,穩(wěn)定電壓為15 V,最大電流是57 mA。

圖3 太陽(yáng)能供電模塊

2.4 過(guò)充過(guò)放電路

如圖所示為過(guò)充過(guò)放保護(hù)電路，本設(shè)計(jì)主要基于三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431和繼電器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛蓄電池充放電保護(hù)。如圖4所示，為過(guò)充保護(hù)電路，供電模塊通過(guò)繼電器為蓄電池充電，當(dāng)電路檢測(cè)到蓄電池電壓大于13 V 時(shí)，綠色LED4 亮，繼電器將開關(guān)向下吸合，斷開充電回路，實(shí)現(xiàn)過(guò)充保護(hù)。

圖4 過(guò)充保護(hù)電路圖

如圖5所示，為過(guò)放保護(hù)電路，蓄電池電壓大于12 V時(shí)LED6燈亮，繼電器向下吸合為負(fù)載提供能量，當(dāng)蓄電池電壓低于10.5 V時(shí)繼電器向上斷開放電回路，實(shí)現(xiàn)過(guò)放保護(hù)。

圖5 過(guò)放保護(hù)電路圖

2.5 輸出端口

圖6所示為電源箱的輸出端口部分設(shè)計(jì)圖，其主要采用LM78XX 系列三端集成穩(wěn)壓器來(lái)得到穩(wěn)定電壓的輸出。當(dāng)LM78XX 系列三端集成穩(wěn)壓器輸出電流較大或工作時(shí)間較長(zhǎng)，LM78XX 散熱較大，應(yīng)加散熱器。

圖6 輸出端口設(shè)計(jì)圖

圖6（a）是輸出穩(wěn)定9 V供收音機(jī)工作。圖6（b）為USB接口電路，實(shí)際電源箱將輸出多個(gè)不同類型的接口供數(shù)碼產(chǎn)品充電，例如圖6（b）手機(jī)USB充電部分，三端集成穩(wěn)壓器 LM7805得到穩(wěn)定直流5 V 輸出，由于手機(jī)充電需要的電壓為（5±0.5） V,此時(shí)剛好適合手機(jī)進(jìn)行充電，當(dāng)紅色LED3 亮起時(shí)說(shuō)明此時(shí)可以為手機(jī)充電了。圖6（c）和（d）均接照明負(fù)載，當(dāng)開關(guān)Key2和Key3接通時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2，R3可改變光照強(qiáng)弱，進(jìn)而達(dá)到使用者所需的光照強(qiáng)度，增加了設(shè)計(jì)的人性化。

3. 電路仿真分析

3.1 LM7815穩(wěn)壓模塊仿真

圖7為三端穩(wěn)壓集成電路LM7815的仿真結(jié)果，C1,C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，R1，R2分別為輸入輸出端保護(hù)電阻。

當(dāng)輸出電流較大時(shí)，LM7815 散熱較大，應(yīng)加散熱器。LM7815 三端穩(wěn)壓IC 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用可靠、方便。由于三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子電路中經(jīng)常采用。當(dāng)三端穩(wěn)壓集成電路LM7815 輸入電壓大于15 V 時(shí)，通過(guò)LM7815 穩(wěn)壓模塊可輸出穩(wěn)定的15 V電壓。

圖7 LM7815穩(wěn)壓模塊仿真圖

3.2 市電供電模塊仿真

由圖8 中可以看出，由于變壓和穩(wěn)壓模塊連接后，電氣互相影響，測(cè)得輸入到LM7815穩(wěn)壓模塊的電壓為28.4 V 左右，輸出15 V 穩(wěn)定電壓通過(guò)過(guò)沖電路為蓄電池充電。

圖8 市電供電模塊仿真圖

3.3 太陽(yáng)能供電模塊仿真

太陽(yáng)能供電模塊仿真見圖9,利用25 V直流電壓源和5 V,20 Hz的交流電源串聯(lián)來(lái)模擬太陽(yáng)能板輸出電壓，模擬信號(hào)在18~32 V之間變化，其波形如圖9中示波器所示，經(jīng)電路濾波穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的15 V 直流電壓。

在日光下，用萬(wàn)用表測(cè)得實(shí)際中太陽(yáng)能板發(fā)出電壓幅度在17~25 V 之間變化，結(jié)合太陽(yáng)能板輸出電壓波形見圖10,證實(shí)模擬電源很接近現(xiàn)實(shí)中太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電壓信號(hào)。實(shí)物圖見圖11。

圖9 太陽(yáng)能供電模塊仿真圖

圖10 太陽(yáng)能板實(shí)際輸出電壓波形測(cè)試圖

圖11 實(shí)物設(shè)計(jì)圖