景區光伏照明充電裝置的探索與研究

劉永金，楊曉偉，郭擎宇

（山東科技大學，山東 濟南 250000）

1 研究背景

2016年，國務院印發了“十三五”節能減排綜合工作方案的通知，要求繼續減少化學需氧量、二氧化硫、氨氮以及氮氧化物等主要污染物的排放。2018年國家發展改革委國家能源局發布了關于印發《清潔能源消納行動計劃（2018-2020年）》的通知，明確要求了推動光伏產業在內的清潔綠色能源高效有序發展。在此大背景下，綠色、環保以及可再生的光伏能源將發揮更大的作用，因此如何高效利用光伏發電并解決傳統光伏發電裝置所存在的問題并更好地為景區等公共場所提供優質的服務就成了研究的重點[1,2]。同時，隨著共享模式的迅速崛起，共享充電寶及共享單車等迅速普及，為人們的日常生活提供了便利，對于景區這類游客密集但共享充電寶及供電系統難以覆蓋的地區，就需要一種方便有效的充電裝置同時滿足照明和充電等需求。對此本文探索和研究了景區光伏照明充電裝置，以滿足日常照明、無線廣播以及景區WiFi信號覆蓋等[3]。

2 研究內容

2.1 光伏發電的能量轉換

光伏發電的效率和穩定性主要受部署地區環境和光照強度影響，這也是制約光伏發電普及的一個重要因素。對于不同時間段內光照強度不同進而影響光伏發電電壓的問題，在研究中采用DC-DC轉換器進行穩壓，對電池進行穩定充電，這也提高了內部蓄電池的使用壽命。考慮到此裝置還能滿足日常夜間照明、無線廣播、共享手機充電以及WiFi等功能，DC-DC轉換器還將滿足蓄電池到以上裝置的電壓變換和電能供給[4]。

2.2 智能電能分配系統

對于光伏發電類裝置來說，光能的不確定性將是制約裝置供電穩定性的重要因素，因此如何合理分配電能載荷并最大化發揮裝置的穩定性也是主要考慮的問題。智能電能分配系統基于大數據原理，通過分析未來一周的天氣及景區歷年游客進出景區日期和時間分布情況，合理關閉某些功能，盡可能使得游客便利最大化，滿足更多游客的需求[5]。

2.3 基于嵌入式微控制器的控制系統

此裝置將太陽能轉化為電能并通過DC-DC轉換器轉換電能，同時為滿足應急交流電的使用，還能提供短暫交流電能。對于上述不同部分和組件的協同工作，基于嵌入式微控制器的控制系統能有效控制，既可實現蓄電池穩定充電，又可實現對功率電源部分的保護與控制[6]。嵌入式微控制器的控制系統如圖1所示。

圖1 嵌入式微控制器的控制系統

2.4 硬件系統設計

本系統中應用了大量DC-DC轉換器進行調節。DC-DC轉換主要利用電感和電容等元件作為儲能元件完成電壓轉換功能，主要作用是實現高效率的電壓變換和穩定輸出[7]。對于研究的景區光伏照明充電裝置，必須做到小巧輕便便于安裝，同時對安全性要求更高，因此設計了這款DC-DC轉換器，具體拓撲結構如圖2所示。

圖2 DC-DC拓撲結構圖

2.5 蓄電池

對于蓄電池的選擇要考慮經濟和容量的相對均衡，前期通過分析景區客流量進而選擇電池容量和種類。目前市場上主流的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池以及鋰離子蓄電池。其中，鎘鎳蓄電池具有放電倍率高、低溫性能好以及循環壽命長等特點，但成本較高不宜選用。鋰離子蓄電池具有電壓高、比能量高、循環壽命優良以及安全無污染等特點，被稱為綠色電源，但同樣成本太高不宜選用。而鉛酸蓄電池價格低廉，適于低溫高倍率放電，雖自放電率較低但仍被廣泛應用。考慮到景區使用環境，最終將鉛酸蓄電池作為本裝置蓄電池首選[8,9]。

2.6 主 控

本系統主控ARM微控制器MCU采用的處理器型號為DM9000LQFP100，原理如圖3所示。輸入輸出端口數量達到了128個，能極大滿足裝置的數據和電能分配處理，最大時鐘頻率達到了180 MHz，極大地減小了數據處理時延。結合內部控制程序能實時根據具體情況合理進行電能分配調節，同時此主控價格較低，能極大降低成本。

圖3 處理器原理圖

2.7 指示燈模塊

指示燈模塊使得裝置實際使用過程中簡單明了，便于后期維護人員的維護和檢修。同時，指示燈能代替傳統液晶屏幕顯示，極大降低設備成本，僅顯示某些特定功能，指示某些特定信息，將液晶屏幕功能轉移到手機App中。指示燈控制電路如圖4所示。

圖4 指示燈控制電路

3 軟件設計

本系統基于已知的某些參數進行相應電量的分配，因此需要對觀測的變量進行權值的分配和估計。在設計中，軟件將分析景區歷年的客流量和一天當中游客出入景區的時間，并結合灰色預測模型GM（1，1）預測未來用電量大小，進而合理高效分配電量和開關某些功能[10]。

通過研究分析景區用電量主要因素和衡量經濟發展的主要指標，最終確定了9個用電量的影響因素，并對上述因素通過相關系數法進行了相關性分析。Sxy樣本協方差計算公式為：

樣本標準差Sx和Sy的計算公式為：

相關系數為：

通過計算得出了9個模糊成本影響因素的相關系數，相關系數反映了影響因素與經濟發展之間的聯系，其值越接近于1，則表明該影響因素與經濟發展之間的關聯性越強。選擇相關性最強的3個影響因素進而編寫程序實現相關功能。

4 結 論

通過實驗研究和后期分析，本設計能實現光伏發電并通過相關合理轉換實現電能的穩定存儲。光伏發電作為一種清潔能源，具有很大的市場發展前景，但是其自身制約性也很明顯，而智能電量分布系統能最大化滿足景區游客的用電需求。大數據的結合可將有限的電能資源最大化發揮作用，從而提高景區服務質量。