应急广播太阳能智能供电电源设计与研究

江 浪

（广西广播电视学校，广西 南宁 530031）

0 引 言

应急广播是保障人民群众生命安全的重要手段之一，而电源作为应急广播的保障设备之一，具有不可替代的重要性。传统电源供电方式存在电源不稳定、维护成本高等问题，太阳能供电系统因其高效、环保的特点，逐渐被应用于应急广播的电源供应。应急广播分为日常播出和应急播出2种广播方式，平时的定时播出即为日常播出，在紧急情况下播发应急突发消息的为应急播出。太阳能供电要解决取电困难的问题，同时确保有30%的电量供给应急广播使用。文章旨在研究如何设计一种太阳能供电系统，以满足不同天气条件下的能源需求，并实现对放电量的精准控制。

1 太阳能智能供电电源设计

1.1 系统硬件结构设计

为了满足应急广播太阳能供电的需求，文章设计了一种基于太阳能电池板的供电系统。其硬件结构包括太阳能电池板、电池组、充放电控制器以及应急广播终端。其中，太阳能电池板负责收集太阳能，电池组储存电能，充放电控制器负责控制充放电过程，应急广播终端则是整个系统的输出设备。

1.2 系统电路原理设计

在电路原理设计中，采用充放电控制器和应急广播终端之间的串联控制电路，以实现对电池组的充放电控制。具体而言，充电控制器和放电控制器通过串联控制电路，控制充放电过程中的充电电流和放电电流，从而保证电池组的电量不低于其容量的30%[1]。

1.3 电路分析

1.3.1 电路控制过程

系统控制电路如图1所示，当太阳光充足时，光伏板电压接入太阳能控制器中给电池充电的同时输出电压给负载供电；当太阳光不充足时，使用电池给负载供电，控制器实时监测太阳的光照、电压、充电电流。当监测到电池电压低于阈值时就利用太阳能给电池充电；当电池电压恢复后就输出电压给负载供电[2]。

图1 系统控制电路

1.3.2 各电路功能

北斗模块通过北斗信号进行远距离通信；4G模块通过4G信号进行远距离通信；光伏板将光能转换能电能；电池可将电能进行存储和释放；应急广播平台可进行应急广播发送，跨省/跨市播发应急广播信息；核心模块监测太阳光照、电压、电流，控制电源通断，与4G模块和北斗模块进行通信，将接收的信息转换成语音信号发送功放中；功放将语音信号进行放大处理后通过喇叭播放出来；STM32是32位ARM Cortex-M内核微控制器系列，具有高性能、低功耗、可靠性强等特点，支持多种通信协议，如服务提供商接口（Service Provider Interface，SPI）、集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C）、控制器局域网(Controller Area Network，CAN)、通用同步异步收发传输器（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter，USART）等。这使得STM32系列非常适合各种应用，特别是需要与其他设备或模块进行通信的应用。

1.4 系统软件设计

在软件设计方面，文章设计了一个基于物联网技术的太阳能供电系统控制平台，以实现对供电系统的远程监测和控制。平台主要包括数据采集、数据处理、数据展示以及数据控制等功能模块。其中，数据采集模块负责采集太阳能电池板、电池组和充放电控制器的实时数据；数据处理模块负责处理和分析采集的数据，并提供实时报警与异常处理功能；数据展示模块负责将处理后的数据以图表和曲线的形式展示出来，以方便用户实时监测和分析系统运行情况；数据控制模块负责对系统的充放电过程进行控制和调整，以保证电池组的电量不低于其容量的30%[3]。

为提高太阳能的转化率，本方案采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）法，它是一种用于提高太阳能电池板（或其他可再生能源发电装置）效率的方法。太阳能电池板的输出功率与工作电压和工作电流有关，而这些参数受到光照强度、温度以及负载等因素的影响。MPPT的目标是在任意时刻调整太阳能电池板的工作点，使其输出功率达到或接近最大值。

MPPT的工作原理是根据当前光照强度和电池板的特性来动态调整其输出电压和电流，以使其工作在最大功率点。一般来说，太阳能电池板的电流-电压（I-V）曲线是一个类似于倒置的“U”形曲线，而最大功率点就位于该曲线的顶点。

2 基于天气预测的放电量计算方法

2.1 天气预测方法

文章采用机器学习算法和气象数据模型相结合的方法，预测未来3 d的太阳能资源利用情况。具体而言，通过大数据分析，选取多个气象指标作为预测因素，构建气象数据模型，并结合机器学习算法对模型进行训练，以实现对未来3 d太阳能资源利用情况的精准预测。

2.2 放电量计算方法

根据天气预测的结果，可以计算出当天的太阳能资源利用情况，并结合充放电策略和电量监测数据计算当天的日常放电量。具体而言，计算公式为

式中：QD为当天的日常放电量；QT为可用电量；QE为应急广播每天需要的电量；QC为当天太阳能充电量；QPV为太阳能电池板的电池电量；ΔQ为系统自身消耗的电量。

3 太阳能智能供电电源放电控制算法实现

为实现太阳能智能供电电源放电控制算法，需要制定和调整充放电策略，从而保证太阳能供电系统的电量不低于其容量的30%，同时满足应急广播的电量需求[4]。具体而言，放电控制算法需要遵循以下步骤：一是读取太阳能电池板的电池电量以及系统自身消耗的电量，计算出可用电量；二是根据天气预报未来3 d的紫外线强度情况，预测当天的太阳能资源利用情况，如阳光照射时间、紫外线强度等；三是根据当天的太阳能资源利用情况，制定合理的充放电策略，当太阳能资源充足时，应优先进行电池的充电，并适量增加日常放电量，当太阳能资源不足时，应减少日常放电量，并确保应急广播的电量需求；四是根据制定的充放电策略，结合电量监测数据和充放电设备的实际控制能力，实时调整充放电过程中的充电时间和放电时间，并控制放电功率；五是持续监测电池电量，如果电池电量低于其容量的30%，则启动应急广播的电源供应，确保应急广播的电量需求；六是如果太阳能资源持续不足，或者遇到突发情况需要增加应急广播的电量供应，则可以通过应急电源或其他备用电源进行补充供电。

3.1 实验设置

选取一块10 W的太阳能电池板作为供电系统的主要能源来源，一块12 V/100 Ah的蓄电池组作为电能储存器。采用基于微处理器（Advanced RISC Machines，ARM）开发板的控制方案，控制与监测充放电控制器和应急广播终端，并采用一种基于机器学习算法的天气预测模型，对未来3 d的太阳能资源利用情况进行预测。

3.2 实验结果分析

通过实验发现，文章提出的太阳能智能供电电源设计方案具有较好的实用性和可行性，可以满足应急广播终端的供电需求。具体而言，成功地实现了对太阳能电池板的太阳能收集、电池组的充放电控制、应急广播终端的供电，并成功地使用天气预测模型对未来3 d的太阳能资源利用情况进行预测。

在实验过程中，根据预测结果制定了合理的充放电策略，并实时监测电池组的电量变化，根据需要进行调整。实验结果表明，文章提出的放电控制流程可以有效控制当天的日常放电量，保证太阳能供电系统的电量不低于其容量的30%，同时满足应急广播的电量需求。

此外，发现太阳能资源的利用情况对供电系统的电量产生了较大的影响。当太阳能资源充足时，应优先进行电池的充电，并适量增加日常放电量；当太阳能资源不足时，应减少日常放电量，并确保应急广播的电量需求。因此，合理地利用天气预测模型，结合电量监测技术和充放电控制策略可以有效提高太阳能供电系统的能源利用效率，并保证应急广播的供电可靠性[5]。

以上步骤需要通过编写相应的程序实现。具体而言，可以使用Python等编程语言，结合机器学习算法和气象数据模型实现天气预报与太阳能资源利用情况的预测。同时，利用电量监测仪等设备监测太阳能供电系统的电量和充放电过程中的电流、电压等参数。此外，通过嵌入式控制器等设备实现对充放电过程的实时控制与调整。

4 结 论

文章设计了一种基于太阳能供电的应急广播智能供电系统，该系统能够根据天气预测进行充放电控制，以保证系统电量不低于其容量的30%。具体而言，文章提出了一种基于天气预测的放电量计算方法，并设计了一套充放电控制流程，以实现对电量的精准控制。该方法可提高应急广播的供电可靠性和节能减排效果，具有重要的实际应用价值。未来，可考虑引入更多气象指标，以提高天气预测的准确性，结合能源管理等理论和方法进一步研究如何实现太阳能供电系统的长期能量平衡控制，拓展研究应用场景，以扩大太阳能供电系统的应用范围。