独立光伏电源在工程监测系统中的应用＊

瞿明，万瑞霞



独立光伏电源在工程监测系统中的应用＊

瞿明，万瑞霞

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021）

对面向工程无线监测系统的光伏电源设计进行了分析和研究。独立光伏电源系统主要由电池组、蓄电池、充放电控制等部分组成，设计计算中应考虑环境、效率、阴雨天气等因素。针对无线监测系统使用的要求，采用MPPT最大功率追踪和充放电控制电路，提高了独立光伏电源的效率。

太阳能；电源；监测系统；通信基站

太阳能作为新能源的一种，在我国的应用发展很快，在很多行业中都有应用。独立光伏电源适用于远离电网、供电不便利的设备，例如高速公路、通信基站、航标灯、工程建设、无人值守监控系统等。在工程领域，需要采用无线监测系统进行数据采集，系统中的关键组件（比如传感器等）的供电如果采用独立光伏电源，可以很好地为监测系统提供稳定的电能。

1 光伏电源系统的组成

人们利用太阳能集热或光伏效应来发电，其中光伏发电系统分为独立型、并网型和混合型三种。独立型的光伏电源比较适合用于便携移动设备、远离电网或不便于供电的设备供电。无线监测系统中的核心组件为传感器等，为实现无线监测功能的需求，应选择具备稳定、循环等要求的独立型光伏电源。独立光伏发电系统一般由光伏电池、储能部分、电能转换控制部分和负载共同组成。在光伏电源系统工作中，储能单元在充电的过程中，应防止过充电和反充电，并提供温度保护；在储能部分放电时应防止过充电，以使电源输出电压稳定。独立光伏电源系统的基本组成如图1所示。

图1 独立光伏电源系统的基本组成

2 影响光伏电源效率的因素

2.1 外界条件

太阳能是“靠天吃饭”的新能源，外在环境的气象条件对其工作效率有很大的影响。影响太阳能电源效率的因素主要有大气层的厚度、海拔高度、所在地域的季节和纬度、辐射光照的光谱等。在设计光伏电源系统时一般选取气象部门提供的每日阳光总辐射量或平均日照时间做主要参考，但实际应选择近年内的最小数据。这样可以使得计算的蓄电池容量保证光伏电源长时间的稳定工作。在使用气象数据时，应对多年的数据取平均值以提高计算的准确度。

2.2 内部条件

光伏电池的光电转换效率是制约光伏电源的主要技术指标之一。太阳能电池在发电过程中，电池的温度、光照强度、蓄电池的电压变化这些内部参数的变化都将影响光伏电源的工作效率。独立光伏电源中的电力电子器件在工作时需要耗能，电源器件的耗电量和充电效率也会影响电源系统的工作效率。

3 独立光伏电源系统的计算

独立光伏电源在设计及使用过程中，应合理选择光伏电池的环境位置，太阳能阵列的数量、蓄电池容量、充放电控制电路的设计中需要建立成本低、稳定性高的电源。对小型独立光伏电源系统的设计计算如下。

3.1 光伏电池的计算

光伏电池有时需要多块串联或并联组成光伏阵列，在计算中需认真分析负载或系统的电压等级。

3.1.1 光伏电池组件的串联数s

光伏电池组件按照需要数量串联可以得到所需要的工作电压。光伏电池组件的串联数量应选择合理，如果串联数量太少，串联电压会小于蓄电池组的浮冲电压，光伏电池阵列就不能向蓄电池充电；如果串联数量过多，充电电压会远高于浮冲电压，但是充电的电流不会显著增加。只有当电池组充电电压等于适当的浮冲电压，充电状态为最佳。计算公式如下：

式（1）中：R为太阳能电池阵列输出的最小电压；oc为太阳电池阵列的最佳工作电压；f为蓄电池的浮充电压；D为二极管压降，0.7 V；c为其他综合因素所导致的压降。

3.1.2 光伏电池组件并联数p

光伏阵列的输出功率与光伏电池串并联的数量相关，并且在计算光伏电池并联数量时需要诸多因素，具体计算分析如下。

太阳能电池组件的日发电量为：

p=oc××op×z. （2）

我国南方地区连阴雨天气较多，阴雨天气下光伏电池几乎是不发电的，在计算中应当考虑解决阴雨天气带来的影响。这里假设两次最长连续的阴雨天气之间间隔天数为w，设计中考虑在间隔时间内对蓄电池的损耗电量进行补充，需要补充的亏损容量cb计算如下：

cb=×L×L. （3）

太阳能电池组件并联数p的计算方法为：

这样计算可以使得并联光伏电池池组在两次阴雨天之间的间隔时段发出电量来满足负载正常供电和补充蓄电池在阴雨天时亏损的电能。

3.1.3 光伏电池阵列的功率计算

光伏电池的组件串并联的数量确定，即可计算出电池阵列的功率：

=0×s×p.（W） （5）

3.2 蓄电池的计算

蓄电池组的选择关系到监测系统的连续工作，但是在一年之中不同季节下光伏电池的发电量不一样。当光伏电池的发电量不能提供足够的发电量时，需要蓄电池组补给电能。在有些月份，光伏电池的发电量会超出系统负载所需的电能，蓄电池可以储存富裕的电能。经过分析我们可知光伏电池发电量的缺额和超出量是计算蓄电池容量的主要依据。在连续阴雨天气下，负载主要需要蓄电池供电，此段时间的耗电量也是确定蓄电池容量的依据。

独立光伏电源的储能单元主要是指蓄电池。在电源系统中蓄电池的容量比负载所需的电量大出很多。为了与太阳能电池匹配工作，蓄电池应当使用时间长并且维护简单，可以选择体积小容量大的锂电池组。

蓄电池的容量计算如下：

式（6）中：为电池的安全系数，取1.1～1.4；Ld为一天负载所需的耗电量；f为光伏电源系统的阴雨天气；为蓄电池的衰减率；b为标准蓄电池的电压；为需使用的蓄电池个数；为蓄电池放电的深度；0为温度修正系数，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 负载的计算

负载计算是计算出负载在工作时间段内消耗的电量。无线监测系统中负载的耗电量在工作中不是恒定的，不同的工作状态下耗电量是不同的。监测传感系统主要有传输状态、数据采集状态、休眠状态。某一时间内负载的计算如下：

L=s×s×s+sl×sl×sl+t×t×t. （7）

式（7）中：s，s，s分别为传感器数据采集、休眠和数据传输状态电压；sl，sl，sl分别为传感器数据采集、休眠和数据传输状态电流；t，t，t分别为传感器数据采集、休眠和数据传输时间。

4 充放电控制电路与MPPT的功率的实现

4.1 充放电控制电路

在充电控制电路中采用BQ2057进行充电电路的设计。BQ2057系列是美国TI公司为锂电池生产的充电管理芯片，能够适应锂离子电池的充电需要。利用其设计的充电器外围电路简单可靠，能适应小型监测系统电源设计的需要。BQ2057具有电池温度检测，可以根据电池温度设定值关闭对电池的充电，具有自充重新充电、最小电流充电终止和低功耗睡眠等特点。具体如图2所示。

图2 BQ2057C充电控制电路的设计

在充电控制电路之后设计自动掉电和降压功能，使太阳能模块与数据采集板连接。在阳光充足时，模块可以同时进行充电和放电过程，而且充电速度比放电速度快。在锂电池的输出端加入一个变压器，将高于额定电压稳定在额定值输出，低于额定电压的值提高按照额定值输出。在锂电池输出端增加一个电源监测端，检测输出电压过高或过低时，切断输电线路，保护蓄电池的正常性能。在充电模块中的蓄电池输出端增加自动断电功能和降压功能。自动断电功能采用低功耗的电压检测器外接三极管实现，降压功能采用线性变压器实现。

4.2 MPPT最大功率追踪

太阳能输出的特性是非线性的，受光照、环境温度的影响很大，提高太阳能光电转换效率一直是研究的热点。光伏电池在任意时刻都存在着一个随光照强度和温度变化而变化的最大功率输出点。为了使得光伏电池工作效率最大，通过实时控制光伏电池的工作状态，使光伏电池在最大功率点工作，称为最大功率点追踪（MPPT）。

目前确定光伏产品最大功率的MPPT最大算法主要分为开环MPPT算法和闭环MPPT算法两类。开环MPPT算法主要有恒定电流法和电流比例算法；闭环MPPT算法有扰动观测法、电导增量法和神经网络算法等。在独立光伏电源系统中采用扰动观测法实现光伏电池的MPPT。

5 小结

对于面向工程领域的无线监测及用电不方便的工作场所，本文根据用电的需求探讨了光伏电源系统的设计，在设计中采用了MPPT最大功率追踪，计算中考虑了长时间无有效日照等问题，设计了良好的充放电控制。通过实验结果表明，电源可以为无线监测的核心组件提供良好的供电，提供较好质量的小功率供电。

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瞿明（1981—），硕士研究生，副教授，主要从事电气自动化技术方面的教学和研究。

甘肃省高校科研项目（编号：2017A-168）；2016院级科研团队建设项目（编号：T2016-01）；2016院级技术积累项目（编号：J2016-01）

2095－6835（2019）07－0151－03

TM914

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.151

〔编辑：张思楠〕