小型衛(wèi)生裝備便攜式太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

秦志強(qiáng)，趙 曉，朱明明(成都軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所，四川成都610017)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的診療裝備智能化，使得保障工作更加依賴于持久、穩(wěn)定的電力支持，但在西藏、新疆等地廣人稀電網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)卻無法實(shí)現(xiàn)。2003年2月24日10時(shí)3分，新疆伽師發(fā)生6.8級地震，新疆軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院和南疆軍區(qū)50余名醫(yī)護(hù)人員當(dāng)天下午分別趕到災(zāi)區(qū)，由于現(xiàn)場輔助設(shè)施破壞嚴(yán)重，加上救援部隊(duì)攜行有限，搶救傷病員時(shí)沒有電，救護(hù)人員只得用手電、蠟燭照明，救治質(zhì)量可想而知。可以說，沒有足量優(yōu)質(zhì)的醫(yī)用供電，衛(wèi)生裝備就不能發(fā)揮作用，也就無法完成衛(wèi)勤保障任務(wù)。

我國土地遼闊，有著豐富的太陽能資源，尤其是新疆，青藏等地區(qū)?，F(xiàn)在太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，許多產(chǎn)品已經(jīng)能夠達(dá)到軍品級要求。而且太陽能資源具有充足、長久、分布廣泛、安全、清潔、技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，為后勤保障系統(tǒng)的電力支持提供了一項(xiàng)新的思路。在沒有商品供電的時(shí)候，太陽能供電系統(tǒng)可以作為補(bǔ)充電力，提供低電壓供電。利用光伏發(fā)電技術(shù)給蓄電池充電存儲能量，使得衛(wèi)生裝備能夠在艱苦的條件下發(fā)揮更大的作用，為戰(zhàn)時(shí)保障打好堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

本研究將針對現(xiàn)行手術(shù)燈的各種現(xiàn)狀及亟待解決的問題，特別是提出針對現(xiàn)行WYD2000型手術(shù)燈電池容量、持續(xù)時(shí)間等問題的解決方案。

1 光伏發(fā)電基本原理和總體設(shè)計(jì)方案

1.1 光伏發(fā)電的工作原理

PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即:當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，光子能量大于禁帶寬度Eg的光線照射PN結(jié)時(shí)，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生更多的電子空穴對，在電場作用下，被光激發(fā)的電子向N區(qū)擴(kuò)散，空穴向P區(qū)擴(kuò)散，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。此時(shí)，如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流，另一方面，若將PN結(jié)兩端開路，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費(fèi)米能級比P區(qū)的費(fèi)米能級高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級之間就產(chǎn)生了電位差VOC。

圖1

1.2 光伏發(fā)生的總體設(shè)計(jì)方案

一般的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成，如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。

圖2

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，便于運(yùn)輸和安裝;工作性能穩(wěn)定可靠;操作維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)在軍隊(duì)上已得到應(yīng)用，2010年7月美國海軍部宣布將撥款1億美元為位于美國五個(gè)州的海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)營地開發(fā)和安裝太陽能供電設(shè)施，其軍用光伏帳篷可發(fā)電3000W，另外惠普也在為美軍開發(fā)一種軍用太陽能手表產(chǎn)品。其他的還有“沙漠一號”光伏發(fā)電包，太陽能背包等一系列產(chǎn)品。

2 太陽能充電模塊的研究與設(shè)計(jì)

WTD2000型手術(shù)燈機(jī)內(nèi)蓄電池為2個(gè)由上海品興科技生產(chǎn)的MF12－17型號12V|17AH的鉛酸電池組成24V|17AH小型全密封免維護(hù)鉛酸電池組?，F(xiàn)以24V17AH的鉛酸電池為例設(shè)計(jì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。

(1)太陽能電池板功率的計(jì)算

①有效光照時(shí)間的計(jì)算

我國土地遼闊，南北方地區(qū)地理緯度上的差異很大，所以夏季與冬季太陽日照的時(shí)間可由下式計(jì)算:

式中“H”表示太陽光照時(shí)間、“12”表示為春秋季節(jié)平均日照時(shí)間、“0.09”表示地理上的緯度時(shí)差、“ω”為所在地的地理緯度、“±”表示夏季最大光照時(shí)間為“+”;冬季最小光照時(shí)間為“－”。

光照效率φ一般情況下夏季取0.8春秋為0.7冬季大約0.5～0.6。

所以由(1)式可得有效光照時(shí)間h:

我國青藏地區(qū)包括西藏自治區(qū)、青海省和四川省西部經(jīng)緯度位置:27°N ～40°N，73°E ～104°E;北方地區(qū):33°N ～53°N，103°E ～135°E。

所以計(jì)算可得在我國最大有效光照時(shí)間h可達(dá)到13.4h。

②光伏系統(tǒng)所需功率的計(jì)算

一般太陽能電池的輸出效率為μ，其計(jì)算公式如下:

太陽能電池的功率計(jì)算:

按照恒流法充電，則蓄電池的容量計(jì)算為:

蓄電池充電的充電補(bǔ)償值n:

其中PS為實(shí)際工作功率;Pm為最大額定功率;C是電池容量;I為充電電流;t為實(shí)際充電時(shí)間;T為有效充電時(shí)間;蓄電池充電補(bǔ)償值n≈1.4。

C=17AH;n≈1.4;μ≈70%;太陽能電池的額定輸出電壓要比蓄電池的額定電壓高1.3～1.5倍U≈1.4U=33.6V;其中t實(shí)際充電時(shí)間即為有效光照時(shí)間h，則根據(jù)最大有效光照時(shí)間計(jì)算t可達(dá)到13.4h。

得到Pm≈80W;所以我們采用的電池板功率必須大于等于80W。

(2)太陽能電池組件的選擇

太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本?，F(xiàn)在按材料分為4大類。

①單晶硅太陽能電池板。

②多晶硅太陽能電池板。

③非晶硅電池板:薄膜太陽能電池、有機(jī)太陽能電池。

④化學(xué)染料電池板:染料敏華太陽能電池。

根據(jù)便于運(yùn)輸、展收便捷迅速、充電效率高、性能穩(wěn)定可靠的要求，我們優(yōu)先選擇ASCENT SOLAR的非晶硅薄膜太陽能組件。

Ascent solar的wavesol CIGS系列產(chǎn)品WSM－0050。在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下測得其電氣參數(shù)如下:

最大輸出功率5W;

峰值電壓19.5V，最大電流260mA;

短路電流300mA，開路電壓26V;

外部尺寸344×170mm，重量105g。

作為薄膜太陽能電池板，它具有重量和尺寸方面的明顯優(yōu)勢。由于它的柔韌性以及超薄的厚度使得它極易展收，所以展開面積可以達(dá)到很大，而不影響其運(yùn)輸?shù)谋憷??？捎?6塊薄膜板塊按照2×8的結(jié)構(gòu)組成39V 2.08A的供電系統(tǒng)。

(3)光伏電池的等效電路模型

根據(jù)電子學(xué)理論，太陽能電池單體的等效電路可以用一個(gè)電流源并聯(lián)一個(gè)二極管的電路來表示。在電路模型中IS為光生電流，與照射到電池板的光強(qiáng)成正比例關(guān)系，同時(shí)受到溫度的影響;Id為暗電流用二極管電流表示，也受溫度影響;RS為串聯(lián)電阻，一般小于1Ω，RSh為旁路電阻，一般為幾千歐，這兩個(gè)電阻是光伏電池的本身固有電阻。一個(gè)理想的光伏電池由于RS和RSh很小，所以在進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

通過對太陽能電池的等效電路進(jìn)行分析，以及根據(jù)二極管的P－N結(jié)的V－I特性，可以得到光伏電池輸出的伏安特性表達(dá)式:

I為光伏電池輸出電流，U為光伏電池輸出電壓，IO為二極管反相飽和電流，IS為光生電流，q為電子的電荷量，RS和RSh分別為光伏電池的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，n為二極管特性因子，k為波爾茲曼常數(shù)。

由于上式中未知參數(shù)較多，并且參數(shù)與電池的溫度和日照強(qiáng)度有關(guān)，確定比較困難，不便于工程實(shí)際應(yīng)用。因此我們采用另一種模型，表達(dá)式如下:

其中ISC為短路電流即在給定日照強(qiáng)度和溫度下最大輸出電流;UOC為開路電壓即在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓;Im為最大功率點(diǎn)電流即在給定日照強(qiáng)度和溫度下的相應(yīng)于最大功率點(diǎn)輸出電流;Um為最大功率點(diǎn)電壓即在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)輸出電壓;Pm=ImUm為最大功率點(diǎn)功率。

廠商提供的參數(shù)都是在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境中(太陽能輻射強(qiáng)度1000W/m2、分光分布AM1.5、電池板表面溫度為25℃)測得的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下:

其中 a、b、c是常數(shù)，通常:a=0.0025/℃b=0.5 c=0.0028/℃

(4)太陽能控制器

由于太陽能電池輸出功率具有非線性的特點(diǎn)，為了最大限度的利用太陽能，必須跟蹤其最大功率輸出點(diǎn)。此外，太陽能電池輸出功率時(shí)常受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、光照強(qiáng)度、云層等等，使得其最大功率點(diǎn)時(shí)常發(fā)生漂移，因此必須對它進(jìn)行實(shí)時(shí)的搜索與跟蹤。目前比較常用的方法有微擾動觀察法、梯度法、自適應(yīng)法和增量電導(dǎo)法等等。

最大功率跟蹤的原理:太陽能陣列輸出功率表達(dá)式為P=U*I。根據(jù)在特定的環(huán)境條件下，太陽能電池發(fā)電的U－I特性和P－U特性曲線可知，在dP/dV=0處，即為最大功率點(diǎn)。則，

在dP/dV＞0，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)左邊;

在dP/dV＜0，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率的右邊;

在dP/dV=0，系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。

擾動法采用模塊化控制回路，跟蹤法則簡明，容易實(shí)現(xiàn)。但是擾動法只能在陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致部分功率損失，初始值及跟蹤補(bǔ)償?shù)慕o定對跟蹤精度和速度有較大的影響，并且有時(shí)會發(fā)生程序在運(yùn)行中的誤判現(xiàn)象，使得工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)。

電導(dǎo)增量法雖然能夠以平穩(wěn)的方式跟蹤太陽能電池最大功率輸出點(diǎn)，但是其算法較為復(fù)雜。

梯度法包括定步長梯度法和變步長梯度法。定步長梯度算法是一種常用的方法，跟蹤速度和跟蹤精度是該算法的不可調(diào)和的矛盾。

自適應(yīng)算法在很大程度上改善了精度和速度，由于Boltzmann函數(shù)的引入使得其計(jì)算復(fù)雜。

逐步逼近法:選擇較大的初始步長，搜索出最大功率所在的范圍，然后等比例的縮小搜索范圍直到搜索到最大功率點(diǎn)。

采用最大功率跟蹤原理，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3

(5)選擇合適的充電方式

蓄電池優(yōu)良的特性和較長的使用壽命在一定程度上取決于正確的充放電，錯(cuò)誤的充電會使蓄電池壽命縮短、性能變差。合適的充電電流和選擇充電方法非常重要。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、階段充電、快速充電法等。

以WYD2000型手術(shù)燈為例，其鉛蓄電池采用的是恒壓充電法。充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。所以，最好采用階段充電法，在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由恒壓轉(zhuǎn)換到恒流充電，這種方法可以將出氣量減到最少，從而達(dá)到保護(hù)蓄電池壽命的目的。設(shè)計(jì)電路原理見圖4。

仿真測試結(jié)果如下:

UBATTERY＜20V時(shí)，小電流維護(hù)充電，充電電流僅有600多毫安。

20V＜UBATTERY＜24V時(shí)，快速充電階段充電電流大小為2.134A。

UBATTERY＞24V時(shí)，限壓浮充狀態(tài)下電流只有40－60 mA。

3 小結(jié)

圖4

本研究最終方案為ASCENT SOLAR的薄膜太陽能電池板組成的2×8陣列，形成最大電壓39V最大電流2.08A的光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于它重量、尺寸方面具有明顯的優(yōu)勢，它的柔韌性以及超薄的厚度使得它極易展收，所以可以做到展開面積大而不影響其運(yùn)輸?shù)谋憷?，能夠更好的滿足需求。此系統(tǒng)主要針對小型衛(wèi)生裝備，如手術(shù)燈等低功率裝備，在必要的情況下，也可組合進(jìn)行擴(kuò)容。在沒有商品供電的時(shí)候，太陽能供電系統(tǒng)可以作為補(bǔ)充電力，提供低電壓供電。利用光伏發(fā)電技術(shù)給蓄電池充電存儲能量，使得衛(wèi)生裝備能夠在艱苦的條件下能夠發(fā)揮更大的作用，為戰(zhàn)時(shí)保障打好堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

本研究所設(shè)計(jì)的便攜式光伏充電系統(tǒng)還不夠完善，許多地方依然需要進(jìn)一步探討和改進(jìn)，比如:最大功率與充電的最適功率之間的平衡，電池板陣列拓展問題，充電接口問題等。

［1］Shafiqur Rehman，Maher A.Bader，Said A.Al－Moallem.Cost of solar energy gengerated using PV panels.28 March 2006.

［2］Chihchiang Hua，Member，IEEE ，Jongrong Lin，and Chihming shen.Implementation of a DSP－Controlled Photovoltaic System with Peak Power Tracking.February 1998

［3］吳文昭，吳志剛，王韜.自動高效太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)的研究，2010.

［4］岳新苗.太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充電器的設(shè)計(jì)，2006

［5］于靜.太陽能發(fā)電技術(shù)綜述.TK511A，2008.

［6］張建坡，張紅艷，王濤.光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤算法仿真研究，2010，1.

［7］趙爭鳴，劉建政 ，孫曉瑛 ，袁立強(qiáng).太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［8］蘇建徽，余世杰 ，趙為 ，吳敏達(dá) ，沈玉梁 ，何慧若.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型［J］.太陽能學(xué)報(bào) ，2001，(22):439－412.A.

［9］王恩.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充電方法探究，1003－0107(2010)06－0021－03.

［10］車俊鐵.太陽能發(fā)電技術(shù)綜述［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008，30(1):56－59.