小型卫生装备便携式太阳能供电系统的设计与研究

秦志强，赵 晓，朱明明(成都军区联勤部药品仪器检验所，四川成都610017)

0 引言

随着科技的发展，越来越多的诊疗装备智能化，使得保障工作更加依赖于持久、稳定的电力支持，但在西藏、新疆等地广人稀电网覆盖不到的地区却无法实现。2003年2月24日10时3分，新疆伽师发生6.8级地震，新疆军区乌鲁木齐总医院和南疆军区50余名医护人员当天下午分别赶到灾区，由于现场辅助设施破坏严重，加上救援部队携行有限，抢救伤病员时没有电，救护人员只得用手电、蜡烛照明，救治质量可想而知。可以说，没有足量优质的医用供电，卫生装备就不能发挥作用，也就无法完成卫勤保障任务。

我国土地辽阔，有着丰富的太阳能资源，尤其是新疆，青藏等地区。现在太阳能发电技术发展迅速，许多产品已经能够达到军品级要求。而且太阳能资源具有充足、长久、分布广泛、安全、清洁、技术可靠等优点，为后勤保障系统的电力支持提供了一项新的思路。在没有商品供电的时候，太阳能供电系统可以作为补充电力，提供低电压供电。利用光伏发电技术给蓄电池充电存储能量，使得卫生装备能够在艰苦的条件下发挥更大的作用，为战时保障打好坚定的基础。

本研究将针对现行手术灯的各种现状及亟待解决的问题，特别是提出针对现行WYD2000型手术灯电池容量、持续时间等问题的解决方案。

1 光伏发电基本原理和总体设计方案

1.1 光伏发电的工作原理

PN结的光生伏特效应，即:当光照射到PN结上时，光子能量大于禁带宽度Eg的光线照射PN结时，使价带中的电子跃迁到导带，而产生更多的电子空穴对，在电场作用下，被光激发的电子向N区扩散，空穴向P区扩散，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。

图1

1.2 光伏发生的总体设计方案

一般的太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成，如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。

图2

光伏发电系统具有结构简单、体积小、重量轻，便于运输和安装;工作性能稳定可靠;操作维护简单等优点。此系统在军队上已得到应用，2010年7月美国海军部宣布将拨款1亿美元为位于美国五个州的海军和海军陆战队营地开发和安装太阳能供电设施，其军用光伏帐篷可发电3000W，另外惠普也在为美军开发一种军用太阳能手表产品。其他的还有“沙漠一号”光伏发电包，太阳能背包等一系列产品。

2 太阳能充电模块的研究与设计

WTD2000型手术灯机内蓄电池为2个由上海品兴科技生产的MF12－17型号12V|17AH的铅酸电池组成24V|17AH小型全密封免维护铅酸电池组。现以24V17AH的铅酸电池为例设计独立光伏发电系统。

(1)太阳能电池板功率的计算

①有效光照时间的计算

我国土地辽阔，南北方地区地理纬度上的差异很大，所以夏季与冬季太阳日照的时间可由下式计算:

式中“H”表示太阳光照时间、“12”表示为春秋季节平均日照时间、“0.09”表示地理上的纬度时差、“ω”为所在地的地理纬度、“±”表示夏季最大光照时间为“+”;冬季最小光照时间为“－”。

光照效率φ一般情况下夏季取0.8春秋为0.7冬季大约0.5～0.6。

所以由(1)式可得有效光照时间h:

我国青藏地区包括西藏自治区、青海省和四川省西部经纬度位置:27°N ～40°N，73°E ～104°E;北方地区:33°N ～53°N，103°E ～135°E。

所以计算可得在我国最大有效光照时间h可达到13.4h。

②光伏系统所需功率的计算

一般太阳能电池的输出效率为μ，其计算公式如下:

太阳能电池的功率计算:

按照恒流法充电，则蓄电池的容量计算为:

蓄电池充电的充电补偿值n:

其中PS为实际工作功率;Pm为最大额定功率;C是电池容量;I为充电电流;t为实际充电时间;T为有效充电时间;蓄电池充电补偿值n≈1.4。

C=17AH;n≈1.4;μ≈70%;太阳能电池的额定输出电压要比蓄电池的额定电压高1.3～1.5倍U≈1.4U=33.6V;其中t实际充电时间即为有效光照时间h，则根据最大有效光照时间计算t可达到13.4h。

得到Pm≈80W;所以我们采用的电池板功率必须大于等于80W。

(2)太阳能电池组件的选择

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。现在按材料分为4大类。

①单晶硅太阳能电池板。

②多晶硅太阳能电池板。

③非晶硅电池板:薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

④化学染料电池板:染料敏华太阳能电池。

根据便于运输、展收便捷迅速、充电效率高、性能稳定可靠的要求，我们优先选择ASCENT SOLAR的非晶硅薄膜太阳能组件。

Ascent solar的wavesol CIGS系列产品WSM－0050。在标准测试环境下测得其电气参数如下:

最大输出功率5W;

峰值电压19.5V，最大电流260mA;

短路电流300mA，开路电压26V;

外部尺寸344×170mm，重量105g。

作为薄膜太阳能电池板，它具有重量和尺寸方面的明显优势。由于它的柔韧性以及超薄的厚度使得它极易展收，所以展开面积可以达到很大，而不影响其运输的便利性。可用16块薄膜板块按照2×8的结构组成39V 2.08A的供电系统。

(3)光伏电池的等效电路模型

根据电子学理论，太阳能电池单体的等效电路可以用一个电流源并联一个二极管的电路来表示。在电路模型中IS为光生电流，与照射到电池板的光强成正比例关系，同时受到温度的影响;Id为暗电流用二极管电流表示，也受温度影响;RS为串联电阻，一般小于1Ω，RSh为旁路电阻，一般为几千欧，这两个电阻是光伏电池的本身固有电阻。一个理想的光伏电池由于RS和RSh很小，所以在进行理想电路计算时可以忽略不计。

通过对太阳能电池的等效电路进行分析，以及根据二极管的P－N结的V－I特性，可以得到光伏电池输出的伏安特性表达式:

I为光伏电池输出电流，U为光伏电池输出电压，IO为二极管反相饱和电流，IS为光生电流，q为电子的电荷量，RS和RSh分别为光伏电池的串联电阻和并联电阻，n为二极管特性因子，k为波尔兹曼常数。

由于上式中未知参数较多，并且参数与电池的温度和日照强度有关，确定比较困难，不便于工程实际应用。因此我们采用另一种模型，表达式如下:

其中ISC为短路电流即在给定日照强度和温度下最大输出电流;UOC为开路电压即在给定日照强度和温度下的最大输出电压;Im为最大功率点电流即在给定日照强度和温度下的相应于最大功率点输出电流;Um为最大功率点电压即在给定日照强度和温度下相应于最大功率点输出电压;Pm=ImUm为最大功率点功率。

厂商提供的参数都是在标准测试环境中(太阳能辐射强度1000W/m2、分光分布AM1.5、电池板表面温度为25℃)测得的结果，在实际应用中还需要进行补偿，补偿公式如下:

其中 a、b、c是常数，通常:a=0.0025/℃b=0.5 c=0.0028/℃

(4)太阳能控制器

由于太阳能电池输出功率具有非线性的特点，为了最大限度的利用太阳能，必须跟踪其最大功率输出点。此外，太阳能电池输出功率时常受到外界环境因素的影响，如温度、光照强度、云层等等，使得其最大功率点时常发生漂移，因此必须对它进行实时的搜索与跟踪。目前比较常用的方法有微扰动观察法、梯度法、自适应法和增量电导法等等。

最大功率跟踪的原理:太阳能阵列输出功率表达式为P=U*I。根据在特定的环境条件下，太阳能电池发电的U－I特性和P－U特性曲线可知，在dP/dV=0处，即为最大功率点。则，

在dP/dV＞0，系统运行在最大功率点左边;

在dP/dV＜0，系统运行在最大功率的右边;

在dP/dV=0，系统运行在最大功率点。

扰动法采用模块化控制回路，跟踪法则简明，容易实现。但是扰动法只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失，初始值及跟踪补偿的给定对跟踪精度和速度有较大的影响，并且有时会发生程序在运行中的误判现象，使得工作点远离最大功率点。

电导增量法虽然能够以平稳的方式跟踪太阳能电池最大功率输出点，但是其算法较为复杂。

梯度法包括定步长梯度法和变步长梯度法。定步长梯度算法是一种常用的方法，跟踪速度和跟踪精度是该算法的不可调和的矛盾。

自适应算法在很大程度上改善了精度和速度，由于Boltzmann函数的引入使得其计算复杂。

逐步逼近法:选择较大的初始步长，搜索出最大功率所在的范围，然后等比例的缩小搜索范围直到搜索到最大功率点。

采用最大功率跟踪原理，系统流程图如图3所示。

图3

(5)选择合适的充电方式

蓄电池优良的特性和较长的使用寿命在一定程度上取决于正确的充放电，错误的充电会使蓄电池寿命缩短、性能变差。合适的充电电流和选择充电方法非常重要。目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、阶段充电、快速充电法等。

以WYD2000型手术灯为例，其铅蓄电池采用的是恒压充电法。充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。所以，最好采用阶段充电法，在充电开始和结束时采用恒流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由恒压转换到恒流充电，这种方法可以将出气量减到最少，从而达到保护蓄电池寿命的目的。设计电路原理见图4。

仿真测试结果如下:

UBATTERY＜20V时，小电流维护充电，充电电流仅有600多毫安。

20V＜UBATTERY＜24V时，快速充电阶段充电电流大小为2.134A。

UBATTERY＞24V时，限压浮充状态下电流只有40－60 mA。

3 小结

图4

本研究最终方案为ASCENT SOLAR的薄膜太阳能电池板组成的2×8阵列，形成最大电压39V最大电流2.08A的光伏发电系统。由于它重量、尺寸方面具有明显的优势，它的柔韧性以及超薄的厚度使得它极易展收，所以可以做到展开面积大而不影响其运输的便利性，能够更好的满足需求。此系统主要针对小型卫生装备，如手术灯等低功率装备，在必要的情况下，也可组合进行扩容。在没有商品供电的时候，太阳能供电系统可以作为补充电力，提供低电压供电。利用光伏发电技术给蓄电池充电存储能量，使得卫生装备能够在艰苦的条件下能够发挥更大的作用，为战时保障打好坚定的基础。

本研究所设计的便携式光伏充电系统还不够完善，许多地方依然需要进一步探讨和改进，比如:最大功率与充电的最适功率之间的平衡，电池板阵列拓展问题，充电接口问题等。

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