應急廣播太陽能智能供電電源設計與研究

江 浪

（廣西廣播電視學校，廣西 南寧 530031）

0 引 言

應急廣播是保障人民群眾生命安全的重要手段之一，而電源作為應急廣播的保障設備之一，具有不可替代的重要性。傳統(tǒng)電源供電方式存在電源不穩(wěn)定、維護成本高等問題，太陽能供電系統(tǒng)因其高效、環(huán)保的特點，逐漸被應用于應急廣播的電源供應。應急廣播分為日常播出和應急播出2種廣播方式，平時的定時播出即為日常播出，在緊急情況下播發(fā)應急突發(fā)消息的為應急播出。太陽能供電要解決取電困難的問題，同時確保有30%的電量供給應急廣播使用。文章旨在研究如何設計一種太陽能供電系統(tǒng)，以滿足不同天氣條件下的能源需求，并實現(xiàn)對放電量的精準控制。

1 太陽能智能供電電源設計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

為了滿足應急廣播太陽能供電的需求，文章設計了一種基于太陽能電池板的供電系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)包括太陽能電池板、電池組、充放電控制器以及應急廣播終端。其中，太陽能電池板負責收集太陽能，電池組儲存電能，充放電控制器負責控制充放電過程，應急廣播終端則是整個系統(tǒng)的輸出設備。

1.2 系統(tǒng)電路原理設計

在電路原理設計中，采用充放電控制器和應急廣播終端之間的串聯(lián)控制電路，以實現(xiàn)對電池組的充放電控制。具體而言，充電控制器和放電控制器通過串聯(lián)控制電路，控制充放電過程中的充電電流和放電電流，從而保證電池組的電量不低于其容量的30%[1]。

1.3 電路分析

1.3.1 電路控制過程

系統(tǒng)控制電路如圖1所示，當太陽光充足時，光伏板電壓接入太陽能控制器中給電池充電的同時輸出電壓給負載供電；當太陽光不充足時，使用電池給負載供電，控制器實時監(jiān)測太陽的光照、電壓、充電電流。當監(jiān)測到電池電壓低于閾值時就利用太陽能給電池充電；當電池電壓恢復后就輸出電壓給負載供電[2]。

圖1 系統(tǒng)控制電路

1.3.2 各電路功能

北斗模塊通過北斗信號進行遠距離通信；4G模塊通過4G信號進行遠距離通信；光伏板將光能轉(zhuǎn)換能電能；電池可將電能進行存儲和釋放；應急廣播平臺可進行應急廣播發(fā)送，跨省/跨市播發(fā)應急廣播信息；核心模塊監(jiān)測太陽光照、電壓、電流，控制電源通斷，與4G模塊和北斗模塊進行通信，將接收的信息轉(zhuǎn)換成語音信號發(fā)送功放中；功放將語音信號進行放大處理后通過喇叭播放出來；STM32是32位ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器系列，具有高性能、低功耗、可靠性強等特點，支持多種通信協(xié)議，如服務提供商接口（Service Provider Interface，SPI）、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）、控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)、通用同步異步收發(fā)傳輸器（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，USART）等。這使得STM32系列非常適合各種應用，特別是需要與其他設備或模塊進行通信的應用。

1.4 系統(tǒng)軟件設計

在軟件設計方面，文章設計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的太陽能供電系統(tǒng)控制平臺，以實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和控制。平臺主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示以及數(shù)據(jù)控制等功能模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負責采集太陽能電池板、電池組和充放電控制器的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊負責處理和分析采集的數(shù)據(jù)，并提供實時報警與異常處理功能；數(shù)據(jù)展示模塊負責將處理后的數(shù)據(jù)以圖表和曲線的形式展示出來，以方便用戶實時監(jiān)測和分析系統(tǒng)運行情況；數(shù)據(jù)控制模塊負責對系統(tǒng)的充放電過程進行控制和調(diào)整，以保證電池組的電量不低于其容量的30%[3]。

為提高太陽能的轉(zhuǎn)化率，本方案采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）法，它是一種用于提高太陽能電池板（或其他可再生能源發(fā)電裝置）效率的方法。太陽能電池板的輸出功率與工作電壓和工作電流有關，而這些參數(shù)受到光照強度、溫度以及負載等因素的影響。MPPT的目標是在任意時刻調(diào)整太陽能電池板的工作點，使其輸出功率達到或接近最大值。

MPPT的工作原理是根據(jù)當前光照強度和電池板的特性來動態(tài)調(diào)整其輸出電壓和電流，以使其工作在最大功率點。一般來說，太陽能電池板的電流-電壓（I-V）曲線是一個類似于倒置的“U”形曲線，而最大功率點就位于該曲線的頂點。

2 基于天氣預測的放電量計算方法

2.1 天氣預測方法

文章采用機器學習算法和氣象數(shù)據(jù)模型相結(jié)合的方法，預測未來3 d的太陽能資源利用情況。具體而言，通過大數(shù)據(jù)分析，選取多個氣象指標作為預測因素，構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合機器學習算法對模型進行訓練，以實現(xiàn)對未來3 d太陽能資源利用情況的精準預測。

2.2 放電量計算方法

根據(jù)天氣預測的結(jié)果，可以計算出當天的太陽能資源利用情況，并結(jié)合充放電策略和電量監(jiān)測數(shù)據(jù)計算當天的日常放電量。具體而言，計算公式為

式中：QD為當天的日常放電量；QT為可用電量；QE為應急廣播每天需要的電量；QC為當天太陽能充電量；QPV為太陽能電池板的電池電量；ΔQ為系統(tǒng)自身消耗的電量。

3 太陽能智能供電電源放電控制算法實現(xiàn)

為實現(xiàn)太陽能智能供電電源放電控制算法，需要制定和調(diào)整充放電策略，從而保證太陽能供電系統(tǒng)的電量不低于其容量的30%，同時滿足應急廣播的電量需求[4]。具體而言，放電控制算法需要遵循以下步驟：一是讀取太陽能電池板的電池電量以及系統(tǒng)自身消耗的電量，計算出可用電量；二是根據(jù)天氣預報未來3 d的紫外線強度情況，預測當天的太陽能資源利用情況，如陽光照射時間、紫外線強度等；三是根據(jù)當天的太陽能資源利用情況，制定合理的充放電策略，當太陽能資源充足時，應優(yōu)先進行電池的充電，并適量增加日常放電量，當太陽能資源不足時，應減少日常放電量，并確保應急廣播的電量需求；四是根據(jù)制定的充放電策略，結(jié)合電量監(jiān)測數(shù)據(jù)和充放電設備的實際控制能力，實時調(diào)整充放電過程中的充電時間和放電時間，并控制放電功率；五是持續(xù)監(jiān)測電池電量，如果電池電量低于其容量的30%，則啟動應急廣播的電源供應，確保應急廣播的電量需求；六是如果太陽能資源持續(xù)不足，或者遇到突發(fā)情況需要增加應急廣播的電量供應，則可以通過應急電源或其他備用電源進行補充供電。

3.1 實驗設置

選取一塊10 W的太陽能電池板作為供電系統(tǒng)的主要能源來源，一塊12 V/100 Ah的蓄電池組作為電能儲存器。采用基于微處理器（Advanced RISC Machines，ARM）開發(fā)板的控制方案，控制與監(jiān)測充放電控制器和應急廣播終端，并采用一種基于機器學習算法的天氣預測模型，對未來3 d的太陽能資源利用情況進行預測。

3.2 實驗結(jié)果分析

通過實驗發(fā)現(xiàn)，文章提出的太陽能智能供電電源設計方案具有較好的實用性和可行性，可以滿足應急廣播終端的供電需求。具體而言，成功地實現(xiàn)了對太陽能電池板的太陽能收集、電池組的充放電控制、應急廣播終端的供電，并成功地使用天氣預測模型對未來3 d的太陽能資源利用情況進行預測。

在實驗過程中，根據(jù)預測結(jié)果制定了合理的充放電策略，并實時監(jiān)測電池組的電量變化，根據(jù)需要進行調(diào)整。實驗結(jié)果表明，文章提出的放電控制流程可以有效控制當天的日常放電量，保證太陽能供電系統(tǒng)的電量不低于其容量的30%，同時滿足應急廣播的電量需求。

此外，發(fā)現(xiàn)太陽能資源的利用情況對供電系統(tǒng)的電量產(chǎn)生了較大的影響。當太陽能資源充足時，應優(yōu)先進行電池的充電，并適量增加日常放電量；當太陽能資源不足時，應減少日常放電量，并確保應急廣播的電量需求。因此，合理地利用天氣預測模型，結(jié)合電量監(jiān)測技術和充放電控制策略可以有效提高太陽能供電系統(tǒng)的能源利用效率，并保證應急廣播的供電可靠性[5]。

以上步驟需要通過編寫相應的程序?qū)崿F(xiàn)。具體而言，可以使用Python等編程語言，結(jié)合機器學習算法和氣象數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)天氣預報與太陽能資源利用情況的預測。同時，利用電量監(jiān)測儀等設備監(jiān)測太陽能供電系統(tǒng)的電量和充放電過程中的電流、電壓等參數(shù)。此外，通過嵌入式控制器等設備實現(xiàn)對充放電過程的實時控制與調(diào)整。

4 結(jié) 論

文章設計了一種基于太陽能供電的應急廣播智能供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)天氣預測進行充放電控制，以保證系統(tǒng)電量不低于其容量的30%。具體而言，文章提出了一種基于天氣預測的放電量計算方法，并設計了一套充放電控制流程，以實現(xiàn)對電量的精準控制。該方法可提高應急廣播的供電可靠性和節(jié)能減排效果，具有重要的實際應用價值。未來，可考慮引入更多氣象指標，以提高天氣預測的準確性，結(jié)合能源管理等理論和方法進一步研究如何實現(xiàn)太陽能供電系統(tǒng)的長期能量平衡控制，拓展研究應用場景，以擴大太陽能供電系統(tǒng)的應用范圍。