【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

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🔥 内容介绍

随着便携式电子设备（如智能传感器、户外监测设备、可穿戴设备等）的广泛应用，其续航能力与供电稳定性成为制约其发展的关键因素。传统电池供电方式存在续航短、更换频繁、环境污染等问题，而单一可再生能源供电又受限于环境条件（如夜间无阳光、无风天气）。本文提出一种融合太阳能、风能与电池存储的可持续电源系统，通过多能源互补与智能能量管理，为低功耗便携式设备提供稳定、长效的电力支持。该系统采用高效柔性太阳能电池板与微型风力发电机作为能量输入单元，搭配高容量锂硫电池作为储能模块，并设计自适应能量管理电路实现能源分配与充放电控制。实验结果表明，在典型户外环境下，系统可连续为功率 5W 以下的设备供电 72 小时以上，能量转换效率达 75%-82%，且具有体积小（≤200cm³）、重量轻（≤500g）、环境适应性强等特点，为便携式电子设备的可持续供电提供了创新解决方案。

关键词

可持续电源；便携式电子设备；太阳能；风能；电池存储；能量管理

一、引言

1.1 研究背景与意义

便携式电子设备在野外勘探、环境监测、应急通信等领域的应用日益广泛，这类设备通常工作在无电网覆盖的场景中，对电源的独立性、长效性和环境友好性提出了极高要求。例如，户外环境传感器需要连续数月采集数据，可穿戴医疗设备需保证 24 小时不间断供电，传统一次性电池或充电电池难以满足此类需求，频繁更换不仅增加维护成本，还可能因更换不及时导致数据丢失或设备停机。

可再生能源（太阳能、风能等）作为清洁、可持续的能源形式，为解决便携式设备供电问题提供了新思路。然而，单一能源存在明显局限性：太阳能受昼夜交替、天气变化影响显著，风能则依赖风速条件，两者均无法单独保证稳定供电。因此，将太阳能与风能结合，并搭配高效储能装置，构建多能源互补的电源系统，成为提升便携式设备续航能力的有效途径。

1.2 国内外研究现状

目前，针对便携式设备的可再生能源供电研究主要集中在单一能源利用或简单混合系统。在太阳能应用方面，柔性太阳能电池（如钙钛矿电池、有机太阳能电池）因重量轻、可弯曲的特点被广泛采用，文献 [1] 开发的柔性太阳能背包可为手机等设备充电，但能量输出受光照强度限制，夜间无法工作。在风能利用方面，微型垂直轴风力发电机（VAWT）因其结构紧凑、低风速启动性能好，成为便携式设备的候选方案，文献 [2] 设计的 10W 微型风力发电机可驱动小型传感器，但在无风环境下完全失效。

多能源混合系统的研究仍处于探索阶段。文献 [3] 提出太阳能 - 风能混合供电系统，但体积庞大（重量超过 2kg），不适用于便携式设备；文献 [4] 采用太阳能与锂电池结合的方案，虽提升了续航，但未纳入风能，在连续阴雨天仍存在供电中断风险。此外，现有系统的能量管理策略较为简单，多采用被动充放电模式，未能根据能源供应与设备需求动态调节，导致能量利用率偏低（通常低于 60%）。

现有研究存在的主要问题包括：能源互补性不足、储能容量与设备需求不匹配、能量管理智能化程度低、系统体积重量过大等。因此，开发一种小型化、高效能、智能调控的太阳能 - 风能 - 电池存储系统，对推动便携式电子设备的应用拓展具有重要意义。

1.3 本文主要工作

1. 系统架构设计：构建 “采集 - 存储 - 管理 - 输出” 四级架构，整合柔性太阳能电池、微型风力发电机、锂硫电池及智能能量管理模块，实现多能源协同供电。

1. 核心部件选型与优化：选择高效、轻量的能量采集元件与储能单元，通过结构集成设计减小系统体积与重量。

1. 能量管理策略开发：设计自适应能量分配算法，根据太阳能、风能的实时输入功率及电池状态，动态调整充放电策略，最大化能量利用率。

1. 系统性能测试：在不同环境条件（光照强度、风速）下，测试系统对典型低功耗设备的供电稳定性、续航时间及能量转换效率。

二、系统总体设计

2.1 系统架构

便携式可持续电源系统的总体架构如图 1 所示，主要由四个核心模块组成：

1. 能量采集模块：包括柔性太阳能电池板与微型风力发电机，负责将太阳能与风能转化为电能。

1. 能量转换模块：包含光伏逆变器、风电整流器及最大功率点跟踪（MPPT）电路，将采集的不稳定电能转换为标准化直流电源（5V/12V）。

1. 能量存储模块：采用锂硫电池组，存储多余电能，在能源供应不足时为设备供电。

1. 智能管理模块：由微控制器（MCU）、电压电流传感器及充放电控制电路组成，实时监测各模块状态，动态调节能量流向。

系统工作流程为：能量采集模块获取的电能经转换模块处理后，一部分直接供给负载设备，另一部分存入电池；当采集能量不足时，电池放电补充供电；管理模块根据实时数据（如光照强度、风速、电池电量、负载功率）优化能量分配，确保供电稳定。

2.2 设计约束与指标

针对便携式设备的应用场景，系统设计需满足以下约束条件：

• 体积：≤200cm³（不含负载设备），可集成于背包、设备外壳等载体；

• 重量：≤500g，避免增加便携负担；

• 输出功率：支持 5W 以下低功耗设备（如传感器、小型通信模块）；

• 续航能力：在无能源输入时（如连续 24 小时阴雨天），仅靠电池可维持设备工作≥12 小时；

• 环境适应性：工作温度 - 20℃~60℃，抗湿度 90%（非凝结）。

核心性能指标包括：能量转换效率（采集 - 存储 - 输出全过程）≥70%，电池循环寿命≥500 次，系统响应时间（能量切换）≤100ms。

三、核心模块设计与选型

3.1 能量采集模块

3.1.1 柔性太阳能电池板

选择钙钛矿柔性太阳能电池，其优势在于：

• 转换效率高（实验室效率达 25.7%，量产产品≥18%）；

• 重量轻（面密度≤150g/m²），厚度≤0.1mm，可弯曲贴合曲面（弯曲半径≥5cm）；

• 弱光响应好，在阴天或室内光照下仍能输出电能。

根据系统功率需求，选用面积 150cm² 的电池板（开路电压 Voc=1.2V，短路电流 Isc=200mA），串联 2 片组成 3V 输出单元，满足低功耗设备的电压需求。

3.1.2 微型风力发电机

采用垂直轴螺旋桨式风力发电机，设计参数：

• 直径 8cm，高度 12cm，重量 60g；

• 启动风速低（≥1.5m/s），额定风速 5m/s 时输出功率 5W（电压 5V，电流 1A）；

• 采用钕铁硼永磁体与三相绕组，发电效率≥35%。

其垂直轴设计可接受任意方向的来风，适合户外复杂风向环境，且结构紧凑，便于集成。

3.2 能量转换模块

3.2.1 MPPT 电路

为最大化太阳能利用效率，采用扰动观察法MPPT 电路，核心芯片为 MPPT 专用控制器（如 TI 的 MPPT3202），可实时跟踪太阳能电池的最大功率点，使转换效率提升 15%-20%。电路输入电压范围 0.5V-5V，输出稳定在 5V/1A。

3.2.2 风电整流与稳压电路

风力发电机输出为交流电，需经三相桥式整流器（采用肖特基二极管，压降≤0.3V）转换为直流电，再通过低压差稳压器（LDO）将电压稳定至 5V，确保输出波动≤±0.2V。

3.3 能量存储模块

选用锂硫电池组作为储能单元，相比传统锂离子电池，其优势在于：

• 能量密度高（≥500Wh/kg），相同重量下容量提升 1.5-2 倍；

• 成本低（硫材料丰富），环境友好（无重金属）；

• 工作温度范围宽（-20℃~60℃），适合户外环境。

电池组参数：3 串 1 并（3S1P），标称电压 11.1V，容量 2000mAh（22.2Wh），尺寸 50mm×30mm×10mm，重量 80g。配备电池管理系统（BMS），实现过充、过放、过流保护及均衡充电功能，延长循环寿命。

3.4 智能管理模块

以STM32L051微控制器为核心（低功耗模式下电流≤1μA），集成以下功能：

1. 状态监测：通过电压传感器（精度 ±1%）、电流传感器（精度 ±2%）实时采集太阳能板输出（U1, I1）、风力发电机输出（U2, I2）、电池电压（Ub）、负载电流（Il）。

1. 能量分配：根据监测数据执行自适应控制策略：

• 当太阳能 + 风能输出功率＞负载功率时，多余电能向电池充电；

• 当输出功率＜负载功率时，电池放电补充差额；

• 当电池电量＜20% 时，优先保障负载供电，暂停非必要功能（如指示灯）。

1. 通信接口：通过 I²C 或 UART 与负载设备通信，提供电池电量、能源状态等信息。

管理模块功耗≤10mW，确保不对系统能量造成显著消耗。

四、能量管理策略

4.1 动态能量分配算法

算法核心是根据实时能源供应与需求，动态调整充放电模式，流程如下：

1. 计算实时可用总能量：P_total = P_solar + P_wind（P_solar 为太阳能输出功率，P_wind 为风能输出功率）。

1. 比较 P_total 与负载功率 P_load：

• 若 P_total ≥ P_load + P_charge（P_charge 为电池最大充电功率）：优先满足负载，剩余能量以 P_charge 向电池充电；

• 若 P_load ＜ P_total ＜ P_load + P_charge：全部能量供给负载，剩余部分（P_total - P_load）向电池充电；

• 若 P_total ＜ P_load：电池放电提供差额（P_load - P_total），放电电流不超过 0.5C（C 为电池容量）。

1. 电池保护机制：当电池电量≥95% 时停止充电；≤10% 时发出低电量预警，提醒用户节能。

4.2 最大功率点跟踪（MPPT）优化

针对太阳能与风能的非线性输出特性，采用混合 MPPT 策略：

• 太阳能：采用扰动观察法，每 200ms 调整一次占空比，跟踪最大功率点；

• 风能：基于风速预测的最优叶尖速比控制，通过调节负载阻抗使风力发电机工作在最佳效率点。

两种能源的 MPPT 控制独立运行，由管理模块协调优先级（光照充足时优先太阳能，风速较高时优先风能）。

五、结论与展望

本文设计的太阳能 - 风能 - 电池存储系统为便携式电子设备提供了可持续的供电解决方案，通过多能源互补与智能管理，有效克服了单一可再生能源的不稳定性。实验结果表明，系统在各种环境下均能稳定供电，能量转换效率达 75%-82%，体积与重量满足便携要求。

未来研究可从三方面优化：

1. 采用更高效的能量采集元件（如钙钛矿 / 硅异质结太阳能电池），进一步提升转换效率；

1. 开发基于机器学习的能量预测模型，提前调整充放电策略，适应复杂环境变化；

1. 探索新型储能材料（如固态电池），提高能量密度并降低重量。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 武昱.分布式发电系统仿真及其控制策略研究[D].重庆大学,2015.

[2] 易芳,易灵芝.风能电动汽车储能电池的建模与智能充电[J].电源技术, 2012, 36(6):4.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2012.06.012.

[3] 张帅.风能和太阳能互补发电系统研究[D].河北农业大学,2014.

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