人光互补便携式电源的设计和实现

袁银春,翁文波

（浙江水利水电学院,杭州 310018）

1 研究背景

如今世界能源短缺问题越来越突出，能源危机已经引发了一系列全球问题。有效利用太阳能、风能、水能等清洁、可再生能源能缓解能源危机，保持可持续发展。

环境污染日趋加剧，空气污染（如雾霾）、水污染、土壤污染，严重威胁人类身体健康；同时，人类环境意识不断提高，环境保护已成为当今社会的重大课题：第五届世界环保大会在北京举办；十八大报告首次写入“美丽中国”环保理念；硫酸工业污染物、硝酸工业污染物排放标准的不断提高……同时，在环境污染日趋加剧和“青山绿水就是金山银山”的双重背景下，太阳能互补技术项目越来越受到政府的扶持、市场的认可，如农光互补、风光互补、渔光互补等。

随着人们生活水平的逐渐提高，野外活动日益广泛，露营、驴友游玩、野外生存等团队越来越多地进入人们的视线。如据新华网数据统计，2015年驴友遇险被困，四川省就有15起（其中5人死亡）；2016年1月初，有驴友闯封闭景区被困，其原因之一为手机没电，无法联系。

2 整体设计方案

人光互补便携式电源系统主要包括：人力发电装置（摇柄）、光伏太阳能电板、稳压控制电路，保护电路，升压电路和大容量锂电池。该电源通过推挽升压和单项全桥逆变隔离性两极变换拓扑，以及DC/DC转换器，实现交流220V/110V、直流5V、9V、12V、24V输出，满足不同电器设备的供电需求。

2.1 光伏发电系统设计

传统的光伏发电装置，一般采用单一的光伏阵列电池给蓄电池供电，但这种方式不能兼顾良好的动态性能和稳态性能，不能很好抑制非线性负载和死区效应带来的干扰，且负载突变时，输出畸变量较大。本项目研发的光伏发电装置将光伏阵列与蓄电池直接连接，同时加入最大功率跟踪环节，既可以跟踪光伏阵列的最大输出功率，又可以输出稳定的电压对蓄电池充电，兼顾光伏发电系统的动态性能和稳态性能。同时，本项目在充放电控制环节采用了“死区定时器控制策略”，能有效抑制非线性负载和死区效应带来的干扰。光伏发电系统主要由太阳电池阵列、蓄电池、光伏充放电控制器、逆变器和用户负载等部分组成。

2.2 手摇发电系统设计

手摇发电机作为一种简单快捷的人工发电方式，本产品采用直流手摇发电机，手摇转速为 (35～135) r/min，齿轮比为 1:40，额定功率50W，以适应人体可承受耐力程度，以及满足设备小型化、便携性的要求。手摇发电机发出的电经过稳压模块、Buck-Boost模块、稳压模块，稳定输出5V、9V、12V、24V电压，供给直流负载和蓄电池，蓄电池再经过推挽升压、单项全桥逆变，输出交流220V、110V，供给交流负载。

2.3 人光互补发电系统设计

一般情况下，人光互补发电系统是由手摇系统和光电系统两部分组合而成的，其中的光电系统利用光电池板将太阳能转换成电能，手摇系统将机械能转换成电能，它们通过控制器对蓄电池充电，并通过逆变器对负载供电。目前研制的便携式太阳能野外充电装置优点是不间断的进行发电，能在白天且光照佳的情况下进行良好充电，缺点是充电不稳定（如夜间、阴、雨天气，充电效率很低）,供电可靠性不高；手摇发电系统的优点是充电稳定，供电可靠性高，缺点是人为因素影响较大，不能不间断的进行。手摇和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡。人光互补发电系统在一定程度上弥补了手摇和光电独立系统在资源上的缺陷，同时，手摇和光电系统在蓄电池组和逆变环节上是可以共用的。人光互补发电系统由光伏阵列、手摇发电装置、控制器、蓄电池组、DC/DC模块、DC/AC模块等几部分组成。

3 研究意义及实施性

人光互补便携式电源，通过人光互补充电，解决太阳能野外充电设备充电不稳定问题，提高了野外便携式电源的稳定性。在经济快速发展的今天，驴友野外探险、野外生存日益广泛，遇险问题屡见不鲜，人光互补便携式电源可提供野外通信、照明电源和医疗设备电源，是野外活动的必备装备。在军队敌后侦察、野外训练等军事任务进行中，人光互补便携式电源可随时提供通信设备电源，保证重要信息、情报的及时传输。自然灾害不可避免，但是当进行抗雪灾、抗地震、抗洪水等野外救援活动时，人光互补便携式电源可在供电中断的情况下，及时为照明、重要装备进行供电，保证救援活动的正常进行。

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