景區(qū)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(xué)，山東 濟(jì)南 250000）

1 研究背景

2016年，國(guó)務(wù)院印發(fā)了“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知，要求繼續(xù)減少化學(xué)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(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》的通知，明確要求了推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的清潔綠色能源高效有序發(fā)展。在此大背景下，綠色、環(huán)保以及可再生的光伏能源將發(fā)揮更大的作用，因此如何高效利用光伏發(fā)電并解決傳統(tǒng)光伏發(fā)電裝置所存在的問(wèn)題并更好地為景區(qū)等公共場(chǎng)所提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)就成了研究的重點(diǎn)[1,2]。同時(shí)，隨著共享模式的迅速崛起，共享充電寶及共享單車(chē)等迅速普及，為人們的日常生活提供了便利，對(duì)于景區(qū)這類(lèi)游客密集但共享充電寶及供電系統(tǒng)難以覆蓋的地區(qū)，就需要一種方便有效的充電裝置同時(shí)滿足照明和充電等需求。對(duì)此本文探索和研究了景區(qū)光伏照明充電裝置，以滿足日常照明、無(wú)線廣播以及景區(qū)WiFi信號(hào)覆蓋等[3]。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換

光伏發(fā)電的效率和穩(wěn)定性主要受部署地區(qū)環(huán)境和光照強(qiáng)度影響，這也是制約光伏發(fā)電普及的一個(gè)重要因素。對(duì)于不同時(shí)間段內(nèi)光照強(qiáng)度不同進(jìn)而影響光伏發(fā)電電壓的問(wèn)題，在研究中采用DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行穩(wěn)壓，對(duì)電池進(jìn)行穩(wěn)定充電，這也提高了內(nèi)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(wú)線廣播、共享手機(jī)充電以及WiFi等功能，DC-DC轉(zhuǎn)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(tǒng)

對(duì)于光伏發(fā)電類(lèi)裝置來(lái)說(shuō)，光能的不確定性將是制約裝置供電穩(wěn)定性的重要因素，因此如何合理分配電能載荷并最大化發(fā)揮裝置的穩(wěn)定性也是主要考慮的問(wèn)題。智能電能分配系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)原理，通過(guò)分析未來(lái)一周的天氣及景區(qū)歷年游客進(jìn)出景區(qū)日期和時(shí)間分布情況，合理關(guān)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(tǒng)

此裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電能，同時(shí)為滿足應(yīng)急交流電的使用，還能提供短暫交流電能。對(duì)于上述不同部分和組件的協(xié)同工作，基于嵌入式微控制器的控制系統(tǒng)能有效控制，既可實(shí)現(xiàn)蓄電池穩(wěn)定充電，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電源部分的保護(hù)與控制[6]。嵌入式微控制器的控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 嵌入式微控制器的控制系統(tǒng)

2.4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中應(yīng)用了大量DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)。DC-DC轉(zhuǎn)換主要利用電感和電容等元件作為儲(chǔ)能元件完成電壓轉(zhuǎn)換功能，主要作用是實(shí)現(xiàn)高效率的電壓變換和穩(wěn)定輸出[7]。對(duì)于研究的景區(qū)光伏照明充電裝置，必須做到小巧輕便便于安裝，同時(shí)對(duì)安全性要求更高，因此設(shè)計(jì)了這款DC-DC轉(zhuǎn)換器，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.5 蓄電池

對(duì)于蓄電池的選擇要考慮經(jīng)濟(jì)和容量的相對(duì)均衡，前期通過(guò)分析景區(qū)客流量進(jìn)而選擇電池容量和種類(lèi)。目前市場(chǎng)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(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，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(huán)壽命優(yōu)良以及安全無(wú)污染等特點(diǎn)，被稱(chēng)為綠色電源，但同樣成本太高不宜選用。而鉛酸蓄電池價(jià)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(yīng)用。考慮到景區(qū)使用環(huán)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(tǒng)主控ARM微控制器MCU采用的處理器型號(hào)為DM9000LQFP100，原理如圖3所示。輸入輸出端口數(shù)量達(dá)到了128個(gè)，能極大滿足裝置的數(shù)據(jù)和電能分配處理，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到了180 MHz，極大地減小了數(shù)據(jù)處理時(shí)延。結(jié)合內(nèi)部控制程序能實(shí)時(shí)根據(jù)具體情況合理進(jìn)行電能分配調(diào)節(jié)，同時(shí)此主控價(jià)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(shí)際使用過(guò)程中簡(jiǎn)單明了，便于后期維護(hù)人員的維護(hù)和檢修。同時(shí)，指示燈能代替?zhèn)鹘y(tǒng)液晶屏幕顯示，極大降低設(shè)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(zhuǎn)移到手機(jī)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于已知的某些參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)電量的分配，因此需要對(duì)觀測(cè)的變量進(jìn)行權(quán)值的分配和估計(jì)。在設(shè)計(jì)中，軟件將分析景區(qū)歷年的客流量和一天當(dāng)中游客出入景區(qū)的時(shí)間，并結(jié)合灰色預(yù)測(cè)模型GM（1，1）預(yù)測(cè)未來(lái)用電量大小，進(jìn)而合理高效分配電量和開(kāi)關(guān)某些功能[10]。

通過(guò)研究分析景區(qū)用電量主要因素和衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要指標(biāo)，最終確定了9個(gè)用電量的影響因素，并對(duì)上述因素通過(guò)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行了相關(guān)性分析。Sxy樣本協(xié)方差計(jì)算公式為：

樣本標(biāo)準(zhǔn)差Sx和Sy的計(jì)算公式為：

相關(guān)系數(shù)為：

通過(guò)計(jì)算得出了9個(gè)模糊成本影響因素的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)反映了影響因素與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的聯(lián)系，其值越接近于1，則表明該影響因素與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。選擇相關(guān)性最強(qiáng)的3個(gè)影響因素進(jìn)而編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能。

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和后期分析，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并通過(guò)相關(guān)合理轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定存儲(chǔ)。光伏發(fā)電作為一種清潔能源，具有很大的市場(chǎng)發(fā)展前景，但是其自身制約性也很明顯，而智能電量分布系統(tǒng)能最大化滿足景區(qū)游客的用電需求。大數(shù)據(jù)的結(jié)合可將有限的電能資源最大化發(fā)揮作用，從而提高景區(qū)服務(wù)質(zhì)量。