人光互補便攜式電源的設(shè)計和實現(xiàn)

袁銀春,翁文波

（浙江水利水電學(xué)院,杭州 310018）

1 研究背景

如今世界能源短缺問題越來越突出，能源危機已經(jīng)引發(fā)了一系列全球問題。有效利用太陽能、風(fēng)能、水能等清潔、可再生能源能緩解能源危機，保持可持續(xù)發(fā)展。

環(huán)境污染日趨加劇，空氣污染（如霧霾）、水污染、土壤污染，嚴(yán)重威脅人類身體健康；同時，人類環(huán)境意識不斷提高，環(huán)境保護已成為當(dāng)今社會的重大課題：第五屆世界環(huán)保大會在北京舉辦；十八大報告首次寫入“美麗中國”環(huán)保理念；硫酸工業(yè)污染物、硝酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高……同時，在環(huán)境污染日趨加劇和“青山綠水就是金山銀山”的雙重背景下，太陽能互補技術(shù)項目越來越受到政府的扶持、市場的認(rèn)可，如農(nóng)光互補、風(fēng)光互補、漁光互補等。

隨著人們生活水平的逐漸提高，野外活動日益廣泛，露營、驢友游玩、野外生存等團隊越來越多地進入人們的視線。如據(jù)新華網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年驢友遇險被困，四川省就有15起（其中5人死亡）；2016年1月初，有驢友闖封閉景區(qū)被困，其原因之一為手機沒電，無法聯(lián)系。

2 整體設(shè)計方案

人光互補便攜式電源系統(tǒng)主要包括：人力發(fā)電裝置（搖柄）、光伏太陽能電板、穩(wěn)壓控制電路，保護電路，升壓電路和大容量鋰電池。該電源通過推挽升壓和單項全橋逆變隔離性兩極變換拓?fù)?，以及DC/DC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)交流220V/110V、直流5V、9V、12V、24V輸出，滿足不同電器設(shè)備的供電需求。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的光伏發(fā)電裝置，一般采用單一的光伏陣列電池給蓄電池供電，但這種方式不能兼顧良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，不能很好抑制非線性負(fù)載和死區(qū)效應(yīng)帶來的干擾，且負(fù)載突變時，輸出畸變量較大。本項目研發(fā)的光伏發(fā)電裝置將光伏陣列與蓄電池直接連接，同時加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩(wěn)定的電壓對蓄電池充電，兼顧光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。同時，本項目在充放電控制環(huán)節(jié)采用了“死區(qū)定時器控制策略”，能有效抑制非線性負(fù)載和死區(qū)效應(yīng)帶來的干擾。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、蓄電池、光伏充放電控制器、逆變器和用戶負(fù)載等部分組成。

2.2 手搖發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

手搖發(fā)電機作為一種簡單快捷的人工發(fā)電方式，本產(chǎn)品采用直流手搖發(fā)電機，手搖轉(zhuǎn)速為 (35～135) r/min，齒輪比為 1:40，額定功率50W，以適應(yīng)人體可承受耐力程度，以及滿足設(shè)備小型化、便攜性的要求。手搖發(fā)電機發(fā)出的電經(jīng)過穩(wěn)壓模塊、Buck-Boost模塊、穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)定輸出5V、9V、12V、24V電壓，供給直流負(fù)載和蓄電池，蓄電池再經(jīng)過推挽升壓、單項全橋逆變，輸出交流220V、110V，供給交流負(fù)載。

2.3 人光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

一般情況下，人光互補發(fā)電系統(tǒng)是由手搖系統(tǒng)和光電系統(tǒng)兩部分組合而成的，其中的光電系統(tǒng)利用光電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，手搖系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)換成電能，它們通過控制器對蓄電池充電，并通過逆變器對負(fù)載供電。目前研制的便攜式太陽能野外充電裝置優(yōu)點是不間斷的進行發(fā)電，能在白天且光照佳的情況下進行良好充電，缺點是充電不穩(wěn)定（如夜間、陰、雨天氣，充電效率很低）,供電可靠性不高；手搖發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是充電穩(wěn)定，供電可靠性高，缺點是人為因素影響較大，不能不間斷的進行。手搖和光電系統(tǒng)都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡。人光互補發(fā)電系統(tǒng)在一定程度上彌補了手搖和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷，同時，手搖和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)上是可以共用的。人光互補發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、手搖發(fā)電裝置、控制器、蓄電池組、DC/DC模塊、DC/AC模塊等幾部分組成。

3 研究意義及實施性

人光互補便攜式電源，通過人光互補充電，解決太陽能野外充電設(shè)備充電不穩(wěn)定問題，提高了野外便攜式電源的穩(wěn)定性。在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，驢友野外探險、野外生存日益廣泛，遇險問題屢見不鮮，人光互補便攜式電源可提供野外通信、照明電源和醫(yī)療設(shè)備電源，是野外活動的必備裝備。在軍隊敵后偵察、野外訓(xùn)練等軍事任務(wù)進行中，人光互補便攜式電源可隨時提供通信設(shè)備電源，保證重要信息、情報的及時傳輸。自然災(zāi)害不可避免，但是當(dāng)進行抗雪災(zāi)、抗地震、抗洪水等野外救援活動時，人光互補便攜式電源可在供電中斷的情況下，及時為照明、重要裝備進行供電，保證救援活動的正常進行。

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