【便携式电子设备的可持续电源】系统结合了太阳能和风能，并搭配电池存储，以便为低功耗设备供电附Simulink仿真

原创于 2025-12-23 21:04:37 发布 · 449 阅读

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🔥 内容介绍

一、研究背景与意义

随着物联网、可穿戴设备、户外检测仪器等便携式电子设备的快速发展，其供电需求呈现出“低功耗、长续航、便携化、绿色化”的特点。传统便携式电源（如一次性干电池、锂电池组）存在续航能力有限、频繁更换或充电不便、废弃后易造成环境污染等问题，难以满足户外作业、偏远地区监测、应急救援等场景下的长期供电需求。

太阳能与风能作为清洁、可再生能源，具有分布广泛、获取便捷的优势，适合作为便携式电子设备的能量来源。通过将太阳能与风能进行互补集成，可有效弥补单一能源受环境因素影响大的缺陷（如太阳能夜间无法发电、风能受天气变化波动大）；搭配高性能电池存储模块，能够实现能量的存储与平稳输出，保障低功耗设备的持续供电。

为此，本文设计一种结合太阳能、风能与电池存储的便携式电子设备可持续电源系统，旨在解决传统便携式电源的续航与环保痛点，为低功耗便携式电子设备提供稳定、清洁、长效的供电解决方案，拓展便携式电子设备在无电网覆盖场景下的应用范围。

二、系统整体架构与工作原理

2.1 系统整体架构

便携式电子设备可持续电源系统采用“能源采集-能量转换-储能管理-供电输出”的模块化架构，主要由太阳能采集模块、风能采集模块、能量转换模块、电池存储模块、电源管理模块以及负载接口模块组成。各模块功能独立且通过标准化接口连接，便于装配、调试与维护，同时兼顾系统的便携性要求。系统整体架构如图所示（文字描述）：太阳能板与微型风力发电机分别采集太阳能与风能，经能量转换模块将不稳定的新能源转化为稳定的电能；电源管理模块负责协调能源采集与电池存储的工作状态，实现充电控制、放电保护、能量分配等功能；电池存储模块存储多余电能，确保无能源输入时系统仍能持续供电；最终通过负载接口模块为低功耗电子设备提供适配的电压与电流。

2.2 核心工作原理

系统的核心工作逻辑是实现太阳能与风能的互补发电、能量的高效存储与稳定输出，具体工作流程如下：

能源采集阶段：太阳能采集模块通过光伏效应将太阳能转化为直流电能，微型风力发电机通过电磁感应将风能转化为交流电能；
能量转换阶段：太阳能输出的直流电经DC-DC转换器进行稳压、升压/降压处理，风力发电机输出的交流电经AC-DC整流器转化为直流电，再通过DC-DC转换器进行稳压处理，使两种能源输出的电能均满足后续存储与供电要求；
储能与管理阶段：电源管理模块根据电池状态（电量、电压）与能源输入情况，动态调整充电策略：当新能源输入充足时，优先为电池存储模块充电，同时为负载供电；当新能源输入不足或无输入时，由电池存储模块为负载供电；
供电输出阶段：电源管理模块通过多通道输出接口，为不同电压等级、不同功率需求的低功耗便携式电子设备提供稳定的电能，同时实时监测输出电流与电压，确保供电安全。

通过太阳能与风能的互补，系统可在不同环境条件下（晴天、阴天、有风、无风）均能实现能量采集，结合电池存储模块的能量缓冲作用，保障供电的连续性与稳定性。

三、核心模块设计

3.1 太阳能采集模块设计

考虑到系统的便携性，太阳能采集模块选用柔性薄膜太阳能电池，其具有重量轻、厚度薄、可弯曲、耐冲击等特点，便于折叠收纳与携带。根据低功耗设备的功率需求，选用功率为5-20W的柔性单晶硅薄膜太阳能电池，转换效率可达18%-22%，在弱光条件下仍能实现有效发电。

模块采用可展开式结构设计，展开后可增大受光面积，提升太阳能采集效率；折叠后体积小巧，便于携带。同时，模块配备角度调节支架，可根据太阳照射方向调整太阳能板角度，最大化太阳能采集量。此外，模块内置防反接、过压保护电路，避免因光照变化或接线错误导致系统损坏。

3.2 风能采集模块设计

风能采集模块选用微型水平轴风力发电机，其具有结构简单、启动风速低、发电效率高的特点，适合在户外低风速环境下工作。发电机额定功率为3-15W，启动风速≤2m/s，额定风速为8-12m/s，可有效利用自然环境中的微弱风力进行发电。

为提升便携性，风力发电机采用可拆卸式设计，叶片与机身可快速拆卸组装；机身采用轻质铝合金材料，降低整体重量。同时，模块内置风速自适应调节装置，当风速超过额定值时，通过调整叶片角度降低转速，避免发电机过载损坏；输出端配备AC-DC整流模块与滤波电路，将发电机输出的交流电转化为平稳的直流电。

3.3 电池存储模块设计

结合系统的便携性与储能需求，电池存储模块选用锂离子电池组（18650电芯），其具有能量密度高、循环寿命长、充放电性能稳定、重量轻等优势。根据负载功耗与续航需求，设计电池组容量为10000-50000mAh，输出电压为3.7V，通过串并联组合适配不同的电压等级（如5V、12V）。

模块内置电池管理系统（BMS），实现对电池的充放电保护、电量监测、均衡充电等功能：充放电保护功能可防止电池过充、过放、过流、短路，延长电池寿命；电量监测功能通过电压采样与算法计算，实时反馈电池剩余电量；均衡充电功能可确保电池组内各电芯电压一致，提升电池组的整体性能与安全性。

3.4 电源管理模块设计

电源管理模块是系统的核心控制单元，采用MCU作为主控芯片（如STM32系列），实现对能源采集、储能、供电的智能化管理。其核心功能包括：

能源互补控制：实时监测太阳能与风能模块的输出功率，动态分配能源优先级，当两种能源同时输入时，优先选用输出功率较高的能源，实现能源的高效利用；
充放电控制：根据电池状态自动切换充电模式（恒流充电、恒压充电），当电池电量充满时自动停止充电；当负载供电时，实时调节放电电流，确保输出电压稳定；
状态监测与报警：实时监测各模块的工作状态（太阳能板电压、风力发电机转速、电池电压/电流、负载电流/电压），当出现异常情况（如电池过温、负载过载）时，发出报警信号并采取保护措施；
多通道输出适配：通过DC-DC降压/升压电路，提供多种电压等级的输出接口（如5V USB、12V DC），适配不同类型的低功耗便携式电子设备（如手机、平板电脑、传感器、可穿戴设备）。

四、结论与展望

4.1 结论

本文设计的便携式电子设备可持续电源系统，通过太阳能与风能的互补集成，结合锂离子电池存储与智能化电源管理，实现了对低功耗便携式电子设备的稳定、清洁供电。测试结果表明，该系统具有能源采集效率高、供电稳定、续航能力强、便携性好等优势，能够有效解决传统便携式电源的续航与环保痛点，可广泛应用于户外作业、偏远地区监测、应急救援等无电网覆盖场景。

4.2 展望

未来可从以下方面对系统进行进一步优化与拓展：一是优化能源采集模块，选用更高转换效率的柔性太阳能电池与微型风力发电机，提升能源采集能力；二是拓展储能形式，结合超级电容器与电池的混合储能架构，提升系统的充放电响应速度与循环寿命；三是增强智能化水平，引入物联网技术，实现对系统工作状态的远程监测与控制；四是轻量化设计，采用更轻质的材料与集成化电路，进一步提升系统的便携性。