景区光伏照明充电装置的探索与研究

刘永金，杨晓伟，郭擎宇

（山东科技大学，山东 济南 250000）

1 研究背景

2016年，国务院印发了“十三五”节能减排综合工作方案的通知，要求继续减少化学需氧量、二氧化硫、氨氮以及氮氧化物等主要污染物的排放。2018年国家发展改革委国家能源局发布了关于印发《清洁能源消纳行动计划（2018-2020年）》的通知，明确要求了推动光伏产业在内的清洁绿色能源高效有序发展。在此大背景下，绿色、环保以及可再生的光伏能源将发挥更大的作用，因此如何高效利用光伏发电并解决传统光伏发电装置所存在的问题并更好地为景区等公共场所提供优质的服务就成了研究的重点[1,2]。同时，随着共享模式的迅速崛起，共享充电宝及共享单车等迅速普及，为人们的日常生活提供了便利，对于景区这类游客密集但共享充电宝及供电系统难以覆盖的地区，就需要一种方便有效的充电装置同时满足照明和充电等需求。对此本文探索和研究了景区光伏照明充电装置，以满足日常照明、无线广播以及景区WiFi信号覆盖等[3]。

2 研究内容

2.1 光伏发电的能量转换

光伏发电的效率和稳定性主要受部署地区环境和光照强度影响，这也是制约光伏发电普及的一个重要因素。对于不同时间段内光照强度不同进而影响光伏发电电压的问题，在研究中采用DC-DC转换器进行稳压，对电池进行稳定充电，这也提高了内部蓄电池的使用寿命。考虑到此装置还能满足日常夜间照明、无线广播、共享手机充电以及WiFi等功能，DC-DC转换器还将满足蓄电池到以上装置的电压变换和电能供给[4]。

2.2 智能电能分配系统

对于光伏发电类装置来说，光能的不确定性将是制约装置供电稳定性的重要因素，因此如何合理分配电能载荷并最大化发挥装置的稳定性也是主要考虑的问题。智能电能分配系统基于大数据原理，通过分析未来一周的天气及景区历年游客进出景区日期和时间分布情况，合理关闭某些功能，尽可能使得游客便利最大化，满足更多游客的需求[5]。

2.3 基于嵌入式微控制器的控制系统

此装置将太阳能转化为电能并通过DC-DC转换器转换电能，同时为满足应急交流电的使用，还能提供短暂交流电能。对于上述不同部分和组件的协同工作，基于嵌入式微控制器的控制系统能有效控制，既可实现蓄电池稳定充电，又可实现对功率电源部分的保护与控制[6]。嵌入式微控制器的控制系统如图1所示。

图1 嵌入式微控制器的控制系统

2.4 硬件系统设计

本系统中应用了大量DC-DC转换器进行调节。DC-DC转换主要利用电感和电容等元件作为储能元件完成电压转换功能，主要作用是实现高效率的电压变换和稳定输出[7]。对于研究的景区光伏照明充电装置，必须做到小巧轻便便于安装，同时对安全性要求更高，因此设计了这款DC-DC转换器，具体拓扑结构如图2所示。

图2 DC-DC拓扑结构图

2.5 蓄电池

对于蓄电池的选择要考虑经济和容量的相对均衡，前期通过分析景区客流量进而选择电池容量和种类。目前市场上主流的蓄电池有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池以及锂离子蓄电池。其中，镉镍蓄电池具有放电倍率高、低温性能好以及循环寿命长等特点，但成本较高不宜选用。锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、循环寿命优良以及安全无污染等特点，被称为绿色电源，但同样成本太高不宜选用。而铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，虽自放电率较低但仍被广泛应用。考虑到景区使用环境，最终将铅酸蓄电池作为本装置蓄电池首选[8,9]。

2.6 主 控

本系统主控ARM微控制器MCU采用的处理器型号为DM9000LQFP100，原理如图3所示。输入输出端口数量达到了128个，能极大满足装置的数据和电能分配处理，最大时钟频率达到了180 MHz，极大地减小了数据处理时延。结合内部控制程序能实时根据具体情况合理进行电能分配调节，同时此主控价格较低，能极大降低成本。

图3 处理器原理图

2.7 指示灯模块

指示灯模块使得装置实际使用过程中简单明了，便于后期维护人员的维护和检修。同时，指示灯能代替传统液晶屏幕显示，极大降低设备成本，仅显示某些特定功能，指示某些特定信息，将液晶屏幕功能转移到手机App中。指示灯控制电路如图4所示。

图4 指示灯控制电路

3 软件设计

本系统基于已知的某些参数进行相应电量的分配，因此需要对观测的变量进行权值的分配和估计。在设计中，软件将分析景区历年的客流量和一天当中游客出入景区的时间，并结合灰色预测模型GM（1，1）预测未来用电量大小，进而合理高效分配电量和开关某些功能[10]。

通过研究分析景区用电量主要因素和衡量经济发展的主要指标，最终确定了9个用电量的影响因素，并对上述因素通过相关系数法进行了相关性分析。Sxy样本协方差计算公式为：

样本标准差Sx和Sy的计算公式为：

相关系数为：

通过计算得出了9个模糊成本影响因素的相关系数，相关系数反映了影响因素与经济发展之间的联系，其值越接近于1，则表明该影响因素与经济发展之间的关联性越强。选择相关性最强的3个影响因素进而编写程序实现相关功能。

4 结 论

通过实验研究和后期分析，本设计能实现光伏发电并通过相关合理转换实现电能的稳定存储。光伏发电作为一种清洁能源，具有很大的市场发展前景，但是其自身制约性也很明显，而智能电量分布系统能最大化满足景区游客的用电需求。大数据的结合可将有限的电能资源最大化发挥作用，从而提高景区服务质量。