便攜式薄膜太陽能光伏野外多功能應急電源的設計*

胡軍智 徐新民 杜生明 許 健 徐海琴 張 坤 曹鐵軍 殷朝慶

隨著國民經濟的飛速發(fā)展，社會、軍隊對電力的需求及依賴程度越來越高，特別是對重要部門、關鍵崗位的電力負荷，一旦中斷供電，往往會導致非常嚴重的后果。尤其是在執(zhí)行局部突發(fā)性軍事任務，擔負抗震救災、抗洪搶險、抵抗雪災等臨時性多樣化野外救援時，野外無市電或發(fā)電機被迫臨時中斷時，直接導致的結果是：重要裝備因無電力供應而無法操控；茫茫黑夜中的野外救援工作因無電燈照明而無法展開；先進的通信設備無電源供給而無法傳輸重要情報成為擺設；用于急救的醫(yī)療設備因為無電源而延誤搶救時機等等。

目前，國內野外應急電源主要有EPS或UPS、獨立于正常電源的柴油或汽油發(fā)電機、風力發(fā)電機等幾種類型[1]。但在實際使用過程中卻存在諸多問題：①以市電為依托的在線式EPS或UPS，野外緊急使用時受市電網絡覆蓋而局限；②柴油或汽油發(fā)電機用作應急電源，臨時使用時會受到柴油、汽油等能源儲備量的限制；③風力發(fā)電機作為應急電源，使用時受地域、風力、風向等自然因素影響較大，而且笨重。因此，以上傳統(tǒng)型應急電源均不完全適合野外惡劣環(huán)境下使用。

太陽能是取之不盡、用之不息的清潔、可再生能源之一，盡管晶硅系太陽能電池應用已經進入大規(guī)模發(fā)展階段，然而因其主要消耗價格昂貴的高純硅材料，對環(huán)境造成嚴重污染，高溫下衰減大，弱光性差等諸多缺點[2]，不適合野外應急電源的使用，需要選擇一種高效、耐強光輻射、弱光下實際光電轉換率高的、適合野外環(huán)境使用的太陽能電池。研究表明，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池在降低硅成本，提高實際光電轉換率等方面得到長足的發(fā)展，尤其是在偏遠無電地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電更具有廣泛的應用[3]。但在移動式應急電源應用方面還是空白，為此研制一種基于野外薄膜太陽能電池的便攜式應急電源十分必要。

1 設計目標

本研究設計一種高效、節(jié)能、實用、多功能野外便攜式應急電源，并且具備緊急電源(emergent power system, EPS)某些功能。既能在野外無市電的情況下，利用其他形式能量轉換成電能，高效蓄存，安全可靠地供負載正常使用；又可以在電源充足的地方進行儲存電能，具有不間斷電源(uninterrupted power system, UPS)功能[4-5]，不間斷地輸出穩(wěn)定的電能，高質量地滿足對時間切換要求高的重要設備。能夠全方位輸入、多種方式輸出，滿足部隊在野戰(zhàn)緊急狀態(tài)下的武器裝備、醫(yī)療設備、網絡通信、夜間照明等實際的需要，更好地保障各種現代軍事斗爭和多樣化救援任務的完成。

2 系統(tǒng)組成(如圖1所示)

圖1 系統(tǒng)整體組成

由圖1可知，該應急電源系統(tǒng)是由薄膜太陽能電池輸入、交流輸入、太陽能與交流輸入切換裝置、太陽能控制器、專用蓄電池、多路電流輸出組成。其中交流輸入單元包括市電輸入或發(fā)電機輸入和汽車發(fā)動機直流輸入。多路電流輸出單元包括經過直流/直流變換器(DC/DC)后的常用直流輸出、經過直流/交流變換器(DC/AC)或穩(wěn)壓后的交流輸出。

3 設計工作原理

以薄膜太陽能光伏發(fā)電為主要輸入，以市電、發(fā)電機或汽車發(fā)動機為輔助輸入，通過陽光照射太陽能電池板，光電伏特效應產生一定的直流，經過太陽能光伏控制系統(tǒng)對專用蓄電池充電儲能，再經過各種轉換，輸出常用的直流和交流電源，以便在野戰(zhàn)、緊急無電的情況下武器裝備、醫(yī)療設備、夜間照明、網絡通信都能保持良好狀態(tài)。

依據設計原理，采用以下多種方式工作。

(1)在外界無電力供應(即沒有220 V交流電源或直流電源)時，通過陽光照射太陽能電池板光電伏特效應產生直流電，經過太陽能與市電輸入的切換裝置，再經過太陽能控制器的控制后，通過足夠的時間對專用蓄電池充電儲能，完成后輸出穩(wěn)定的12 V直流電源。此時12 V直流再分為兩路：一路12 V直流可經過DC/DC變換輸出常用的4種直流電源，如：DC5 V、DC9 V、DC12 V、DC24 V；另一路12 V直流經過DC/AC變換后產生220 V交流，以備方便使用。

(2)當外界有220 V交流市電時，220 V交流經過太陽能與市電自動切換裝置后分三路：一路220 V交流經AC/DC變換轉換后，產生的12 V直流直接經DC/DC變換輸出4種直流電源：DC5 V、DC9 V、DC12 V、DC24 V；二路220 V交流經AC/DC變換后，產生的12 V直流再經太陽能控制器的控制后，對專用蓄電池充電儲能后輸出穩(wěn)定的12 V直流，可經DC/DC變換輸出4種上述常用直流電源；三路220 V交流經穩(wěn)壓器直接輸出平穩(wěn)的220 V交流，以備常用。

(3)為了不間斷給予專用蓄電池充電，可利用行駛中的汽車發(fā)動機(實為發(fā)電機)產生的DC12 V，DC12 V經太陽能與市電自動切換裝置和太陽能控制器后，對蓄電池充電儲能，之后電路與方式二相同，即再經過DC/DC或DC/AC變換后，最后輸出4種常用直流電源或者經穩(wěn)壓器后直接輸出AC220 V，以備后用。

(4)外界有發(fā)電機時，產生的交流電經穩(wěn)壓器調整穩(wěn)壓后，經太陽能與市電自動切換裝置后，直接輸出平穩(wěn)的220 V交流電，以供大部分工頻設備使用。

4 系統(tǒng)控制的選定

根據太陽能光伏發(fā)電的實際要求，結合本電源的設計要求，選用SDRC-10太陽能專用控制器為整個應急電源控制系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)采用智能化的MCU單片機設計，通過單片機實現光伏最大功率跟蹤控制，最大限度的利用太陽能。通過專用控制模型計算，利用了E方存儲器記錄各工作控制點使設置數字化，消除了因電位器震動偏位、溫漂等使控制點出現誤差降低準確性、可靠性的因素，實現符合蓄電池特性的放電率、溫度補償修正的高效、精確控制，并采用PWM充電模式，具有蓄電池放電特性修正的準確放電控制，又有過充電、過放電、電子短路、過載保護、獨特的防反接等全自動控制，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，極大的延長蓄電池的使用壽命。采用一鍵式輕觸開關，完成所有操作及設置，具有詳細的充電指示、蓄電池狀態(tài)、負載及各種故障等指示。

5 薄膜太陽能電池的選定與光伏基布的設計

20世紀90年代，日本專家認為，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池的首選，并且是單位重量輸出功率最高的太陽能電池[7]。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池屬于CuInSe系太陽能薄膜電池，相比硅系薄膜太陽能電池具有以下優(yōu)點：①抗干擾、耐輻射能力強，不僅在地面使用，在太空中更有明顯優(yōu)勢；②太陽光譜響應特性極大，弱光性強，晶硅電池產品平均日照發(fā)電時間僅為4 h左右，而CIGS薄膜電池產品平均日照發(fā)電時間＞6 h；③在高溫環(huán)境下擁有更好的光電轉換性能，實際轉化率高，美國NREL研制的0.499 cm2CIGS薄膜太陽能電池已經達到了與多晶硅相當的18.8%的轉換效率[8]；④在高溫等環(huán)境下，晶硅類電池產品有2年的衰減期，CIGS柔性薄膜電池產品性能穩(wěn)定無衰減期；⑤受入射角影響小，晶硅類入射角必須達到60o才能發(fā)電，高效CIGS薄膜太陽能電池不受角度限制，吸收系數極高；⑥安全性高、易維護，晶硅類電池產品容易破損，且破損面積＞20%則完全不能發(fā)電，同時破損的晶硅體跌落容易引發(fā)安全隱患。CIGS薄膜電池產品單個破損不影響其他單個發(fā)電，平時維護只需日常清水清洗即可，既具有晶硅電池的高效、穩(wěn)定、無毒(毒性小)和材料資源豐富的優(yōu)勢，又具有薄膜電池的材料省、成本低、質輕、柔韌性好的優(yōu)點,這些均符合野外應急電源的高效、實用、便攜等設計要求，故選用先進的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池。

該研究設計的負載電源額定總功率為150 W，由此設計并計算出薄膜太陽能電池光伏總的功率約為270 W。將功率為5 W或10 W的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池片數塊，按陣列鑲嵌在一塊耐用高纖維基布上，內部串聯并聯達到設計功率要求制做成一塊“薄膜太陽光伏布”。在野外使用時將其隨意展開在開闊之地，或者將其附著在張開的帳篷上，與控制電源箱連接并為其供電。不用時可將其按序折疊包裝好放入電源控制箱內，以便野外攜行、搬運(如圖2所示)。

圖2 外觀

6 儲能蓄電池的選定

根據負載電源功率和負載能力來確定專用蓄電池的容量和規(guī)格，由于磷酸鐵鋰離子電池屬于混合超級電容電池，具有與普通鋰離子電池相近的容量，在安全性能方面比普通的鋰電池更高，更容易維護，且壽命更長等優(yōu)勢。質量輕，是同規(guī)格的膠體蓄電池的1/10，因此選用立塬的UPS電源用12 V60 Ah磷酸鐵鋰離子電池組1塊，可達到GB/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》標準。

7 結語

本研究設計的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池光伏野外多功能應急電源，經過數次試驗，基本符合《移動式光伏應急電源技術標準》和GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網技術要求的相關要求[9-10]，實踐證明，該電源的研制徹底解決在野外緊急情況下重要裝備、醫(yī)療設備、夜間照明、網絡通信等因無電源而無法使用的難題。特別是對資源緊缺的惡劣環(huán)境下，保障抗震救災、抗洪搶險、抵抗雪災等多樣化救援任務實用價值高；同時，對薄膜太陽能電池光伏在移動應急電源的應用意義重大。

[1]陳伯武.醫(yī)院緊急備用電源配置方案[J].中國科技信息,2007(1):155-156.

[2]沐俊應,徐娟,梁氏秋水,等.有機薄膜太陽能電池的研究進展[J].電子工藝技術,2007,28(2):93-96.

[3]徐立珍,李彥,秦鋒.薄膜太陽電池的研究進展及應用前景[J].可再生能源,2006,24(3):10-12.

[4]李秋華.應急電源原理特點與實際應用[J].電源世界,2007(6):25-30.

[5]許文靜,孫杰.UPS和EPS簡析[J].中國電力教育,2010(A1):50-52.

[6]胡軍智,徐新民,杜生明,等.一種光伏型野戰(zhàn)LED無影燈的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(9):81-83.

[7]莊大明,張弓.銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的發(fā)展現狀以及應用前景[J].真空,2004,41(2):1-7.

[8]王育偉,劉小峰,陳婷婷,等.薄膜太陽電池的最新進展[J].半導體光電,2008,29(2):151-157.

[9]王志新.移動光伏應急電源技術[J].高科技與產業(yè)化,2009(6):91-94.

[10]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 19939-2005光伏系統(tǒng)并網技術要求[S].2005-11-11.