瞿明，萬瑞霞

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獨(dú)立光伏電源在工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

瞿明，萬瑞霞

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

對(duì)面向工程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的光伏電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究。獨(dú)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(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮環(huán)境、效率、陰雨天氣等因素。針對(duì)無線監(jiān)測(cè)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(dú)立光伏電源的效率。

太陽能；電源；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通信基站

太陽能作為新能源的一種，在我國的應(yīng)用發(fā)展很快，在很多行業(yè)中都有應(yīng)用。獨(dú)立光伏電源適用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)、供電不便利的設(shè)備，例如高速公路、通信基站、航標(biāo)燈、工程建設(shè)、無人值守監(jiān)控系統(tǒng)等。在工程領(lǐng)域，需要采用無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件（比如傳感器等）的供電如果采用獨(dú)立光伏電源，可以很好地為監(jiān)測(cè)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(yīng)來發(fā)電，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立型、并網(wǎng)型和混合型三種。獨(dú)立型的光伏電源比較適合用于便攜移動(dòng)設(shè)備、遠(yuǎn)離電網(wǎng)或不便于供電的設(shè)備供電。無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心組件為傳感器等，為實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測(cè)功能的需求，應(yīng)選擇具備穩(wěn)定、循環(huán)等要求的獨(dú)立型光伏電源。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏電池、儲(chǔ)能部分、電能轉(zhuǎn)換控制部分和負(fù)載共同組成。在光伏電源系統(tǒng)工作中，儲(chǔ)能單元在充電的過程中，應(yīng)防止過充電和反充電，并提供溫度保護(hù)；在儲(chǔ)能部分放電時(shí)應(yīng)防止過充電，以使電源輸出電壓穩(wěn)定。獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 獨(dú)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(duì)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(shè)計(jì)光伏電源系統(tǒng)時(shí)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(shí)間做主要參考，但實(shí)際應(yīng)選擇近年內(nèi)的最小數(shù)據(jù)。這樣可以使得計(jì)算的蓄電池容量保證光伏電源長時(shí)間的穩(wěn)定工作。在使用氣象數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)對(duì)多年的數(shù)據(jù)取平均值以提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2.2 內(nèi)部條件

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

3 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的計(jì)算

獨(dú)立光伏電源在設(shè)計(jì)及使用過程中，應(yīng)合理選擇光伏電池的環(huán)境位置，太陽能陣列的數(shù)量、蓄電池容量、充放電控制電路的設(shè)計(jì)中需要建立成本低、穩(wěn)定性高的電源。對(duì)小型獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算如下。

3.1 光伏電池的計(jì)算

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

3.1.1 光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)s

光伏電池組件按照需要數(shù)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(shù)量應(yīng)選擇合理，如果串聯(lián)數(shù)量太少，串聯(lián)電壓會(huì)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(shù)量過多，充電電壓會(huì)遠(yuǎn)高于浮沖電壓，但是充電的電流不會(huì)顯著增加。只有當(dāng)電池組充電電壓等于適當(dāng)?shù)母_電壓，充電狀態(tài)為最佳。計(jì)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(dǎo)致的壓降。

3.1.2 光伏電池組件并聯(lián)數(shù)p

光伏陣列的輸出功率與光伏電池串并聯(lián)的數(shù)量相關(guān)，并且在計(jì)算光伏電池并聯(lián)數(shù)量時(shí)需要諸多因素，具體計(jì)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(jì)算中應(yīng)當(dāng)考慮解決陰雨天氣帶來的影響。這里假設(shè)兩次最長連續(xù)的陰雨天氣之間間隔天數(shù)為w，設(shè)計(jì)中考慮在間隔時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池的損耗電量進(jìn)行補(bǔ)充，需要補(bǔ)充的虧損容量cb計(jì)算如下：

cb=×L×L. （3）

太陽能電池組件并聯(lián)數(shù)p的計(jì)算方法為：

這樣計(jì)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(shí)段發(fā)出電量來滿足負(fù)載正常供電和補(bǔ)充蓄電池在陰雨天時(shí)虧損的電能。

3.1.3 光伏電池陣列的功率計(jì)算

光伏電池的組件串并聯(lián)的數(shù)量確定，即可計(jì)算出電池陣列的功率：

=0×s×p.（W） （5）

3.2 蓄電池的計(jì)算

蓄電池組的選擇關(guān)系到監(jiān)測(cè)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(dāng)光伏電池的發(fā)電量不能提供足夠的發(fā)電量時(shí)，需要蓄電池組補(bǔ)給電能。在有些月份，光伏電池的發(fā)電量會(huì)超出系統(tǒng)負(fù)載所需的電能，蓄電池可以儲(chǔ)存富裕的電能。經(jīng)過分析我們可知光伏電池發(fā)電量的缺額和超出量是計(jì)算蓄電池容量的主要依據(jù)。在連續(xù)陰雨天氣下，負(fù)載主要需要蓄電池供電，此段時(shí)間的耗電量也是確定蓄電池容量的依據(jù)。

獨(dú)立光伏電源的儲(chǔ)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(fù)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(yīng)當(dāng)使用時(shí)間長并且維護(hù)簡(jiǎn)單，可以選擇體積小容量大的鋰電池組。

蓄電池的容量計(jì)算如下：

式（6）中：為電池的安全系數(shù)，取1.1～1.4；Ld為一天負(fù)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(biāo)準(zhǔn)蓄電池的電壓；為需使用的蓄電池個(gè)數(shù)；為蓄電池放電的深度；0為溫度修正系數(shù)，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(fù)載的計(jì)算

負(fù)載計(jì)算是計(jì)算出負(fù)載在工作時(shí)間段內(nèi)消耗的電量。無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中負(fù)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(cè)傳感系統(tǒng)主要有傳輸狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、休眠狀態(tài)。某一時(shí)間內(nèi)負(fù)載的計(jì)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(shù)據(jù)采集、休眠和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)電壓；sl，sl，sl分別為傳感器數(shù)據(jù)采集、休眠和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)電流；t，t，t分別為傳感器數(shù)據(jù)采集、休眠和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

4 充放電控制電路與MPPT的功率的實(shí)現(xiàn)

4.1 充放電控制電路

在充電控制電路中采用BQ2057進(jìn)行充電電路的設(shè)計(jì)。BQ2057系列是美國TI公司為鋰電池生產(chǎn)的充電管理芯片，能夠適應(yīng)鋰離子電池的充電需要。利用其設(shè)計(jì)的充電器外圍電路簡(jiǎn)單可靠，能適應(yīng)小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的需要。BQ2057具有電池溫度檢測(cè)，可以根據(jù)電池溫度設(shè)定值關(guān)閉對(duì)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(diǎn)。具體如圖2所示。

圖2 BQ2057C充電控制電路的設(shè)計(jì)

在充電控制電路之后設(shè)計(jì)自動(dòng)掉電和降壓功能，使太陽能模塊與數(shù)據(jù)采集板連接。在陽光充足時(shí)，模塊可以同時(shí)進(jìn)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(gè)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(gè)電源監(jiān)測(cè)端，檢測(cè)輸出電壓過高或過低時(shí)，切斷輸電線路，保護(hù)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(dòng)斷電功能和降壓功能。自動(dòng)斷電功能采用低功耗的電壓檢測(cè)器外接三極管實(shí)現(xiàn)，降壓功能采用線性變壓器實(shí)現(xiàn)。

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(zhuǎn)換效率一直是研究的熱點(diǎn)。光伏電池在任意時(shí)刻都存在著一個(gè)隨光照強(qiáng)度和溫度變化而變化的最大功率輸出點(diǎn)。為了使得光伏電池工作效率最大，通過實(shí)時(shí)控制光伏電池的工作狀態(tài)，使光伏電池在最大功率點(diǎn)工作，稱為最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）。

目前確定光伏產(chǎn)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(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。在獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)中采用擾動(dòng)觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT。

5 小結(jié)

對(duì)于面向工程領(lǐng)域的無線監(jiān)測(cè)及用電不方便的工作場(chǎng)所，本文根據(jù)用電的需求探討了光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用了MPPT最大功率追蹤，計(jì)算中考慮了長時(shí)間無有效日照等問題，設(shè)計(jì)了良好的充放電控制。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源可以為無線監(jiān)測(cè)的核心組件提供良好的供電，提供較好質(zhì)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(dòng)化技術(shù)方面的教學(xué)和研究。

甘肅省高?？蒲许?xiàng)目（編號(hào)：2017A-168）；2016院級(jí)科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：T2016-01）；2016院級(jí)技術(shù)積累項(xiàng)目（編號(hào)：J2016-01）

2095－6835（2019）07－0151－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.151

〔編輯：張思楠〕