獨立光伏電源在工程監(jiān)測系統(tǒng)中的應用＊

瞿明，萬瑞霞

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獨立光伏電源在工程監(jiān)測系統(tǒng)中的應用＊

瞿明，萬瑞霞

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730021）

對面向工程無線監(jiān)測系統(tǒng)的光伏電源設計進行了分析和研究。獨立光伏電源系統(tǒng)主要由電池組、蓄電池、充放電控制等部分組成，設計計算中應考慮環(huán)境、效率、陰雨天氣等因素。針對無線監(jiān)測系統(tǒng)使用的要求，采用MPPT最大功率追蹤和充放電控制電路，提高了獨立光伏電源的效率。

太陽能；電源；監(jiān)測系統(tǒng)；通信基站

太陽能作為新能源的一種，在我國的應用發(fā)展很快，在很多行業(yè)中都有應用。獨立光伏電源適用于遠離電網、供電不便利的設備，例如高速公路、通信基站、航標燈、工程建設、無人值守監(jiān)控系統(tǒng)等。在工程領域，需要采用無線監(jiān)測系統(tǒng)進行數據采集，系統(tǒng)中的關鍵組件（比如傳感器等）的供電如果采用獨立光伏電源，可以很好地為監(jiān)測系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。

1 光伏電源系統(tǒng)的組成

人們利用太陽能集熱或光伏效應來發(fā)電，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立型、并網型和混合型三種。獨立型的光伏電源比較適合用于便攜移動設備、遠離電網或不便于供電的設備供電。無線監(jiān)測系統(tǒng)中的核心組件為傳感器等，為實現無線監(jiān)測功能的需求，應選擇具備穩(wěn)定、循環(huán)等要求的獨立型光伏電源。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏電池、儲能部分、電能轉換控制部分和負載共同組成。在光伏電源系統(tǒng)工作中，儲能單元在充電的過程中，應防止過充電和反充電，并提供溫度保護；在儲能部分放電時應防止過充電，以使電源輸出電壓穩(wěn)定。獨立光伏電源系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 獨立光伏電源系統(tǒng)的基本組成

2 影響光伏電源效率的因素

2.1 外界條件

太陽能是“靠天吃飯”的新能源，外在環(huán)境的氣象條件對其工作效率有很大的影響。影響太陽能電源效率的因素主要有大氣層的厚度、海拔高度、所在地域的季節(jié)和緯度、輻射光照的光譜等。在設計光伏電源系統(tǒng)時一般選取氣象部門提供的每日陽光總輻射量或平均日照時間做主要參考，但實際應選擇近年內的最小數據。這樣可以使得計算的蓄電池容量保證光伏電源長時間的穩(wěn)定工作。在使用氣象數據時，應對多年的數據取平均值以提高計算的準確度。

2.2 內部條件

光伏電池的光電轉換效率是制約光伏電源的主要技術指標之一。太陽能電池在發(fā)電過程中，電池的溫度、光照強度、蓄電池的電壓變化這些內部參數的變化都將影響光伏電源的工作效率。獨立光伏電源中的電力電子器件在工作時需要耗能，電源器件的耗電量和充電效率也會影響電源系統(tǒng)的工作效率。

3 獨立光伏電源系統(tǒng)的計算

獨立光伏電源在設計及使用過程中，應合理選擇光伏電池的環(huán)境位置，太陽能陣列的數量、蓄電池容量、充放電控制電路的設計中需要建立成本低、穩(wěn)定性高的電源。對小型獨立光伏電源系統(tǒng)的設計計算如下。

3.1 光伏電池的計算

光伏電池有時需要多塊串聯(lián)或并聯(lián)組成光伏陣列，在計算中需認真分析負載或系統(tǒng)的電壓等級。

3.1.1 光伏電池組件的串聯(lián)數s

光伏電池組件按照需要數量串聯(lián)可以得到所需要的工作電壓。光伏電池組件的串聯(lián)數量應選擇合理，如果串聯(lián)數量太少，串聯(lián)電壓會小于蓄電池組的浮沖電壓，光伏電池陣列就不能向蓄電池充電；如果串聯(lián)數量過多，充電電壓會遠高于浮沖電壓，但是充電的電流不會顯著增加。只有當電池組充電電壓等于適當的浮沖電壓，充電狀態(tài)為最佳。計算公式如下：

式（1）中：R為太陽能電池陣列輸出的最小電壓；oc為太陽電池陣列的最佳工作電壓；f為蓄電池的浮充電壓；D為二極管壓降，0.7 V；c為其他綜合因素所導致的壓降。

3.1.2 光伏電池組件并聯(lián)數p

光伏陣列的輸出功率與光伏電池串并聯(lián)的數量相關，并且在計算光伏電池并聯(lián)數量時需要諸多因素，具體計算分析如下。

太陽能電池組件的日發(fā)電量為：

p=oc××op×z. （2）

我國南方地區(qū)連陰雨天氣較多，陰雨天氣下光伏電池幾乎是不發(fā)電的，在計算中應當考慮解決陰雨天氣帶來的影響。這里假設兩次最長連續(xù)的陰雨天氣之間間隔天數為w，設計中考慮在間隔時間內對蓄電池的損耗電量進行補充，需要補充的虧損容量cb計算如下：

cb=×L×L. （3）

太陽能電池組件并聯(lián)數p的計算方法為：

這樣計算可以使得并聯(lián)光伏電池池組在兩次陰雨天之間的間隔時段發(fā)出電量來滿足負載正常供電和補充蓄電池在陰雨天時虧損的電能。

3.1.3 光伏電池陣列的功率計算

光伏電池的組件串并聯(lián)的數量確定，即可計算出電池陣列的功率：

=0×s×p.（W） （5）

3.2 蓄電池的計算

蓄電池組的選擇關系到監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)工作，但是在一年之中不同季節(jié)下光伏電池的發(fā)電量不一樣。當光伏電池的發(fā)電量不能提供足夠的發(fā)電量時，需要蓄電池組補給電能。在有些月份，光伏電池的發(fā)電量會超出系統(tǒng)負載所需的電能，蓄電池可以儲存富裕的電能。經過分析我們可知光伏電池發(fā)電量的缺額和超出量是計算蓄電池容量的主要依據。在連續(xù)陰雨天氣下，負載主要需要蓄電池供電，此段時間的耗電量也是確定蓄電池容量的依據。

獨立光伏電源的儲能單元主要是指蓄電池。在電源系統(tǒng)中蓄電池的容量比負載所需的電量大出很多。為了與太陽能電池匹配工作，蓄電池應當使用時間長并且維護簡單，可以選擇體積小容量大的鋰電池組。

蓄電池的容量計算如下：

式（6）中：為電池的安全系數，取1.1～1.4；Ld為一天負載所需的耗電量；f為光伏電源系統(tǒng)的陰雨天氣；為蓄電池的衰減率；b為標準蓄電池的電壓；為需使用的蓄電池個數；為蓄電池放電的深度；0為溫度修正系數，一般在0 ℃以上取1，一般在10 ℃以上取1.1，在﹣10 ℃以下取1.2.

3.3 負載的計算

負載計算是計算出負載在工作時間段內消耗的電量。無線監(jiān)測系統(tǒng)中負載的耗電量在工作中不是恒定的，不同的工作狀態(tài)下耗電量是不同的。監(jiān)測傳感系統(tǒng)主要有傳輸狀態(tài)、數據采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)。某一時間內負載的計算如下：

L=s×s×s+sl×sl×sl+t×t×t. （7）

式（7）中：s，s，s分別為傳感器數據采集、休眠和數據傳輸狀態(tài)電壓；sl，sl，sl分別為傳感器數據采集、休眠和數據傳輸狀態(tài)電流；t，t，t分別為傳感器數據采集、休眠和數據傳輸時間。

4 充放電控制電路與MPPT的功率的實現

4.1 充放電控制電路

在充電控制電路中采用BQ2057進行充電電路的設計。BQ2057系列是美國TI公司為鋰電池生產的充電管理芯片，能夠適應鋰離子電池的充電需要。利用其設計的充電器外圍電路簡單可靠，能適應小型監(jiān)測系統(tǒng)電源設計的需要。BQ2057具有電池溫度檢測，可以根據電池溫度設定值關閉對電池的充電，具有自充重新充電、最小電流充電終止和低功耗睡眠等特點。具體如圖2所示。

圖2 BQ2057C充電控制電路的設計

在充電控制電路之后設計自動掉電和降壓功能，使太陽能模塊與數據采集板連接。在陽光充足時，模塊可以同時進行充電和放電過程，而且充電速度比放電速度快。在鋰電池的輸出端加入一個變壓器，將高于額定電壓穩(wěn)定在額定值輸出，低于額定電壓的值提高按照額定值輸出。在鋰電池輸出端增加一個電源監(jiān)測端，檢測輸出電壓過高或過低時，切斷輸電線路，保護蓄電池的正常性能。在充電模塊中的蓄電池輸出端增加自動斷電功能和降壓功能。自動斷電功能采用低功耗的電壓檢測器外接三極管實現，降壓功能采用線性變壓器實現。

4.2 MPPT最大功率追蹤

太陽能輸出的特性是非線性的，受光照、環(huán)境溫度的影響很大，提高太陽能光電轉換效率一直是研究的熱點。光伏電池在任意時刻都存在著一個隨光照強度和溫度變化而變化的最大功率輸出點。為了使得光伏電池工作效率最大，通過實時控制光伏電池的工作狀態(tài)，使光伏電池在最大功率點工作，稱為最大功率點追蹤（MPPT）。

目前確定光伏產品最大功率的MPPT最大算法主要分為開環(huán)MPPT算法和閉環(huán)MPPT算法兩類。開環(huán)MPPT算法主要有恒定電流法和電流比例算法；閉環(huán)MPPT算法有擾動觀測法、電導增量法和神經網絡算法等。在獨立光伏電源系統(tǒng)中采用擾動觀測法實現光伏電池的MPPT。

5 小結

對于面向工程領域的無線監(jiān)測及用電不方便的工作場所，本文根據用電的需求探討了光伏電源系統(tǒng)的設計，在設計中采用了MPPT最大功率追蹤，計算中考慮了長時間無有效日照等問題，設計了良好的充放電控制。通過實驗結果表明，電源可以為無線監(jiān)測的核心組件提供良好的供電，提供較好質量的小功率供電。

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瞿明（1981—），碩士研究生，副教授，主要從事電氣自動化技術方面的教學和研究。

甘肅省高校科研項目（編號：2017A-168）；2016院級科研團隊建設項目（編號：T2016-01）；2016院級技術積累項目（編號：J2016-01）

2095－6835（2019）07－0151－03

TM914

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.151

〔編輯：張思楠〕