人光互補便攜式電源的設計和實現

袁銀春,翁文波

（浙江水利水電學院,杭州 310018）

1 研究背景

如今世界能源短缺問題越來越突出，能源危機已經引發了一系列全球問題。有效利用太陽能、風能、水能等清潔、可再生能源能緩解能源危機，保持可持續發展。

環境污染日趨加劇，空氣污染（如霧霾）、水污染、土壤污染，嚴重威脅人類身體健康；同時，人類環境意識不斷提高，環境保護已成為當今社會的重大課題：第五屆世界環保大會在北京舉辦；十八大報告首次寫入“美麗中國”環保理念；硫酸工業污染物、硝酸工業污染物排放標準的不斷提高……同時，在環境污染日趨加劇和“青山綠水就是金山銀山”的雙重背景下，太陽能互補技術項目越來越受到政府的扶持、市場的認可，如農光互補、風光互補、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。如據新華網數據統計，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，有驢友闖封閉景區被困，其原因之一為手機沒電，無法聯系。

2 整體設計方案

人光互補便攜式電源系統主要包括：人力發電裝置（搖柄）、光伏太陽能電板、穩壓控制電路，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撲，以及DC/DC轉換器，實現交流220V/110V、直流5V、9V、12V、24V輸出，滿足不同電器設備的供電需求。

2.1 光伏發電系統設計

傳統的光伏發電裝置，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性能和穩態性能，不能很好抑制非線性負載和死區效應帶來的干擾，且負載突變時，輸出畸變量較大。本項目研發的光伏發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節，既可以跟蹤光伏陣列的最大輸出功率，又可以輸出穩定的電壓對蓄電池充電，兼顧光伏發電系統的動態性能和穩態性能。同時，本項目在充放電控制環節采用了“死區定時器控制策略”，能有效抑制非線性負載和死區效應帶來的干擾。光伏發電系統主要由太陽電池陣列、蓄電池、光伏充放電控制器、逆變器和用戶負載等部分組成。

2.2 手搖發電系統設計

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

2.3 人光互補發電系統設計

一般情況下，人光互補發電系統是由手搖系統和光電系統兩部分組合而成的，其中的光電系統利用光電池板將太陽能轉換成電能，手搖系統將機械能轉換成電能，它們通過控制器對蓄電池充電，并通過逆變器對負載供電。目前研制的便攜式太陽能野外充電裝置優點是不間斷的進行發電，能在白天且光照佳的情況下進行良好充電，缺點是充電不穩定（如夜間、陰、雨天氣，充電效率很低）,供電可靠性不高；手搖發電系統的優點是充電穩定，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。手搖和光電系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致發電與用電負荷的不平衡。人光互補發電系統在一定程度上彌補了手搖和光電獨立系統在資源上的缺陷，同時，手搖和光電系統在蓄電池組和逆變環節上是可以共用的。人光互補發電系統由光伏陣列、手搖發電裝置、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備充電不穩定問題，提高了野外便攜式電源的穩定性。在經濟快速發展的今天，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、照明電源和醫療設備電源，是野外活動的必備裝備。在軍隊敵后偵察、野外訓練等軍事任務進行中，人光互補便攜式電源可隨時提供通信設備電源，保證重要信息、情報的及時傳輸。自然災害不可避免，但是當進行抗雪災、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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