便携式薄膜太阳能光伏野外多功能应急电源的设计*

胡军智 徐新民 杜生明 许 健 徐海琴 张 坤 曹铁军 殷朝庆

随着国民经济的飞速发展，社会、军队对电力的需求及依赖程度越来越高，特别是对重要部门、关键岗位的电力负荷，一旦中断供电，往往会导致非常严重的后果。尤其是在执行局部突发性军事任务，担负抗震救灾、抗洪抢险、抵抗雪灾等临时性多样化野外救援时，野外无市电或发电机被迫临时中断时，直接导致的结果是：重要装备因无电力供应而无法操控；茫茫黑夜中的野外救援工作因无电灯照明而无法展开；先进的通信设备无电源供给而无法传输重要情报成为摆设；用于急救的医疗设备因为无电源而延误抢救时机等等。

目前，国内野外应急电源主要有EPS或UPS、独立于正常电源的柴油或汽油发电机、风力发电机等几种类型[1]。但在实际使用过程中却存在诸多问题：①以市电为依托的在线式EPS或UPS，野外紧急使用时受市电网络覆盖而局限；②柴油或汽油发电机用作应急电源，临时使用时会受到柴油、汽油等能源储备量的限制；③风力发电机作为应急电源，使用时受地域、风力、风向等自然因素影响较大，而且笨重。因此，以上传统型应急电源均不完全适合野外恶劣环境下使用。

太阳能是取之不尽、用之不息的清洁、可再生能源之一，尽管晶硅系太阳能电池应用已经进入大规模发展阶段，然而因其主要消耗价格昂贵的高纯硅材料，对环境造成严重污染，高温下衰减大，弱光性差等诸多缺点[2]，不适合野外应急电源的使用，需要选择一种高效、耐强光辐射、弱光下实际光电转换率高的、适合野外环境使用的太阳能电池。研究表明，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池在降低硅成本，提高实际光电转换率等方面得到长足的发展，尤其是在偏远无电地区，太阳能光伏发电更具有广泛的应用[3]。但在移动式应急电源应用方面还是空白，为此研制一种基于野外薄膜太阳能电池的便携式应急电源十分必要。

1 设计目标

本研究设计一种高效、节能、实用、多功能野外便携式应急电源，并且具备紧急电源(emergent power system, EPS)某些功能。既能在野外无市电的情况下，利用其他形式能量转换成电能，高效蓄存，安全可靠地供负载正常使用；又可以在电源充足的地方进行储存电能，具有不间断电源(uninterrupted power system, UPS)功能[4-5]，不间断地输出稳定的电能，高质量地满足对时间切换要求高的重要设备。能够全方位输入、多种方式输出，满足部队在野战紧急状态下的武器装备、医疗设备、网络通信、夜间照明等实际的需要，更好地保障各种现代军事斗争和多样化救援任务的完成。

2 系统组成(如图1所示)

图1 系统整体组成

由图1可知，该应急电源系统是由薄膜太阳能电池输入、交流输入、太阳能与交流输入切换装置、太阳能控制器、专用蓄电池、多路电流输出组成。其中交流输入单元包括市电输入或发电机输入和汽车发动机直流输入。多路电流输出单元包括经过直流/直流变换器(DC/DC)后的常用直流输出、经过直流/交流变换器(DC/AC)或稳压后的交流输出。

3 设计工作原理

以薄膜太阳能光伏发电为主要输入，以市电、发电机或汽车发动机为辅助输入，通过阳光照射太阳能电池板，光电伏特效应产生一定的直流，经过太阳能光伏控制系统对专用蓄电池充电储能，再经过各种转换，输出常用的直流和交流电源，以便在野战、紧急无电的情况下武器装备、医疗设备、夜间照明、网络通信都能保持良好状态。

依据设计原理，采用以下多种方式工作。

(1)在外界无电力供应(即没有220 V交流电源或直流电源)时，通过阳光照射太阳能电池板光电伏特效应产生直流电，经过太阳能与市电输入的切换装置，再经过太阳能控制器的控制后，通过足够的时间对专用蓄电池充电储能，完成后输出稳定的12 V直流电源。此时12 V直流再分为两路：一路12 V直流可经过DC/DC变换输出常用的4种直流电源，如：DC5 V、DC9 V、DC12 V、DC24 V；另一路12 V直流经过DC/AC变换后产生220 V交流，以备方便使用。

(2)当外界有220 V交流市电时，220 V交流经过太阳能与市电自动切换装置后分三路：一路220 V交流经AC/DC变换转换后，产生的12 V直流直接经DC/DC变换输出4种直流电源：DC5 V、DC9 V、DC12 V、DC24 V；二路220 V交流经AC/DC变换后，产生的12 V直流再经太阳能控制器的控制后，对专用蓄电池充电储能后输出稳定的12 V直流，可经DC/DC变换输出4种上述常用直流电源；三路220 V交流经稳压器直接输出平稳的220 V交流，以备常用。

(3)为了不间断给予专用蓄电池充电，可利用行驶中的汽车发动机(实为发电机)产生的DC12 V，DC12 V经太阳能与市电自动切换装置和太阳能控制器后，对蓄电池充电储能，之后电路与方式二相同，即再经过DC/DC或DC/AC变换后，最后输出4种常用直流电源或者经稳压器后直接输出AC220 V，以备后用。

(4)外界有发电机时，产生的交流电经稳压器调整稳压后，经太阳能与市电自动切换装置后，直接输出平稳的220 V交流电，以供大部分工频设备使用。

4 系统控制的选定

根据太阳能光伏发电的实际要求，结合本电源的设计要求，选用SDRC-10太阳能专用控制器为整个应急电源控制系统[6]。该系统采用智能化的MCU单片机设计，通过单片机实现光伏最大功率跟踪控制，最大限度的利用太阳能。通过专用控制模型计算，利用了E方存储器记录各工作控制点使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素，实现符合蓄电池特性的放电率、温度补偿修正的高效、精确控制，并采用PWM充电模式，具有蓄电池放电特性修正的准确放电控制，又有过充电、过放电、电子短路、过载保护、独特的防反接等全自动控制，保证蓄电池工作在最佳状态，极大的延长蓄电池的使用寿命。采用一键式轻触开关，完成所有操作及设置，具有详细的充电指示、蓄电池状态、负载及各种故障等指示。

5 薄膜太阳能电池的选定与光伏基布的设计

20世纪90年代，日本专家认为，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池的首选，并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池[7]。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池属于CuInSe系太阳能薄膜电池，相比硅系薄膜太阳能电池具有以下优点：①抗干扰、耐辐射能力强，不仅在地面使用，在太空中更有明显优势；②太阳光谱响应特性极大，弱光性强，晶硅电池产品平均日照发电时间仅为4 h左右，而CIGS薄膜电池产品平均日照发电时间＞6 h；③在高温环境下拥有更好的光电转换性能，实际转化率高，美国NREL研制的0.499 cm2CIGS薄膜太阳能电池已经达到了与多晶硅相当的18.8%的转换效率[8]；④在高温等环境下，晶硅类电池产品有2年的衰减期，CIGS柔性薄膜电池产品性能稳定无衰减期；⑤受入射角影响小，晶硅类入射角必须达到60o才能发电，高效CIGS薄膜太阳能电池不受角度限制，吸收系数极高；⑥安全性高、易维护，晶硅类电池产品容易破损，且破损面积＞20%则完全不能发电，同时破损的晶硅体跌落容易引发安全隐患。CIGS薄膜电池产品单个破损不影响其他单个发电，平时维护只需日常清水清洗即可，既具有晶硅电池的高效、稳定、无毒(毒性小)和材料资源丰富的优势，又具有薄膜电池的材料省、成本低、质轻、柔韧性好的优点,这些均符合野外应急电源的高效、实用、便携等设计要求，故选用先进的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池。

该研究设计的负载电源额定总功率为150 W，由此设计并计算出薄膜太阳能电池光伏总的功率约为270 W。将功率为5 W或10 W的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池片数块，按阵列镶嵌在一块耐用高纤维基布上，内部串联并联达到设计功率要求制做成一块“薄膜太阳光伏布”。在野外使用时将其随意展开在开阔之地，或者将其附着在张开的帐篷上，与控制电源箱连接并为其供电。不用时可将其按序折叠包装好放入电源控制箱内，以便野外携行、搬运(如图2所示)。

图2 外观

6 储能蓄电池的选定

根据负载电源功率和负载能力来确定专用蓄电池的容量和规格，由于磷酸铁锂离子电池属于混合超级电容电池，具有与普通锂离子电池相近的容量，在安全性能方面比普通的锂电池更高，更容易维护，且寿命更长等优势。质量轻，是同规格的胶体蓄电池的1/10，因此选用立塬的UPS电源用12 V60 Ah磷酸铁锂离子电池组1块，可达到GB/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》标准。

7 结语

本研究设计的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池光伏野外多功能应急电源，经过数次试验，基本符合《移动式光伏应急电源技术标准》和GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求的相关要求[9-10]，实践证明，该电源的研制彻底解决在野外紧急情况下重要装备、医疗设备、夜间照明、网络通信等因无电源而无法使用的难题。特别是对资源紧缺的恶劣环境下，保障抗震救灾、抗洪抢险、抵抗雪灾等多样化救援任务实用价值高；同时，对薄膜太阳能电池光伏在移动应急电源的应用意义重大。

[1]陈伯武.医院紧急备用电源配置方案[J].中国科技信息,2007(1):155-156.

[2]沐俊应,徐娟,梁氏秋水,等.有机薄膜太阳能电池的研究进展[J].电子工艺技术,2007,28(2):93-96.

[3]徐立珍,李彦,秦锋.薄膜太阳电池的研究进展及应用前景[J].可再生能源,2006,24(3):10-12.

[4]李秋华.应急电源原理特点与实际应用[J].电源世界,2007(6):25-30.

[5]许文静,孙杰.UPS和EPS简析[J].中国电力教育,2010(A1):50-52.

[6]胡军智,徐新民,杜生明,等.一种光伏型野战LED无影灯的研制[J].医疗卫生装备,2010,31(9):81-83.

[7]庄大明,张弓.铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展现状以及应用前景[J].真空,2004,41(2):1-7.

[8]王育伟,刘小峰,陈婷婷,等.薄膜太阳电池的最新进展[J].半导体光电,2008,29(2):151-157.

[9]王志新.移动光伏应急电源技术[J].高科技与产业化,2009(6):91-94.

[10]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求[S].2005-11-11.