Literature review: Open source solar power supply unit for plasma generator/zh

项目数据

作者	Md Motakabbir Rahman Joshua M. Pearce
地点	加拿大安大略省伦敦​
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等离子放电系统由电压调节器、等离子发生器单元和反应器组成。它通常用于在空气、氧气、氮气和其他惰性气体等各种气氛中进行电弧放电、介质阻挡放电和辉光放电测试。

该项目的目标是为实验性等离子放电装置构建一个电源。专用太阳能电源包括一个 MPPT（最大功率点跟踪器）和一个专为此应用设计的逆变器。这些组件将集成到一个紧凑、经济高效且开源的封装中。

描述等离子体放电实验装置

等离子放电系统设置

产品组成

1、CTP 2000K等离子电源。

• 产品名称：低温等离子体实验电源
• 型号：CTP 2000K
• 输出电压(kV): 0-30
• 频率（kHz）：5-20
• 功率(W)：0-500

2、 TDGC2-1接触式调压器（电阻式）。

• 额定输入电压：220V
  
• 额定容量：1kVA
  
• 频率：50Hz
  
• 输出电压范围：（0-250）V
  
• 额定输出电流：4A
  
• 重量：6.5kg
  

3.DBD反应器。

建议的电源装置

关于“等离子发生器的开源太阳能供电装置”的文献综述

等离子放电的应用

1. 高压等离子体放电从碳氢化合物中制取氢气^{[ 1 ]}

Yasushi Nishida 等人正在开发一种利用等离子放电的新型 H ₂生产系统，该系统专为超过 1.5 个大气压的高压条件而设计。该系统旨在安装在移动车辆上，目前用于探索甲烷和丙烷，与输入能量为 138 Whr 的残留 CH4 相比，H _{2产量约为 60%。}

2. 微波放电等离子体在液体燃料乙醇中大容量制氢^{[ 2 ]}

孙兵等研究了微波放电等离子体在液态乙醇中大容量制氢，利用直接驻波耦合反应器探索出最佳条件，氢气流量达到72.48 g/h，浓度达到58.1%，能量产率达到48.32 g/kWh。

3. 辉光放电等离子体电解甲醇溶液产生氢气^{[ 3 ]}

宗成燕等人深入研究了辉光放电等离子体电解甲醇溶液产生氢气。该研究强调了 H2 和 HCHO 在甲醇分解中占主导地位，与阳极 GDPE 相比，阴极 GDPE 的氢气产量更高，能耗明显更低，尤其是在 700 V 放电电压下。

4. 湿态非热表面等离子体放电在废气处理中的应用：NOx 去除^{[ 4 ]}

J. Jolibois 等人研究了非热表面等离子体放电在潮湿条件下去除 NOx 的应用，研究了其在低流速（1 L/min）和 100 ppm NO 下的气体废气处理效率。

5. 生物医学应用中 DBD 等离子体源的表征^{[ 5 ]}

M. Kuchenbecker 等人描述了一种用于生物医学应用的介质阻挡放电 (DBD) 等离子体源。该 DBD 等离子体源采用陶瓷覆盖电极，在稳定状态下运行，无需额外气流，可用于研究生物物体的潜在治疗。

6. 高频水下等离子放电在抗菌中的应用^{[ 6 ]}

MW Ahmed 等人探索了高频水下等离子放电的抗菌活性。他们使用氖变压器，在水系统中实现了对革兰氏阴性大肠杆菌的有效灭活，即使在经过 72 小时的等离子处理后，大肠杆菌也没有明显的再生。

太阳能等离子发生器

很少有文献描述完整的太阳能等离子发电系统的设计。本节仅涵盖以下文献：

7. 用于介质阻挡放电应用的太阳能驱动的紧凑型微秒脉冲功率发生器^{[ 7 ]}

方志等人设计了一种紧凑型太阳能等离子发生器系统，用于驱动DBD反应器。该脉冲电源能够输出高达20kV的高压脉冲，脉冲重复频率范围为1Hz至2kHz，最大输出功率为150W。

• 该脉冲功率发生器设计最大输出功率为150W，并预留100W余量，以弥补阳光不足和微秒脉冲功率发生器的功率损失。
• 当弱光条件下太阳能电池板的输出功率不能满足DBD应用要求时，可以将太阳能电池板更换为市电蓄电池，提供9~36V范围内的输出电压。
• 输入电压范围为10-60V，与太阳能电池板和电池的输出电压范围相匹配。光伏转换器的输出电压范围为3V至90V，变压器绕组匝数比为1:50。
• 然而，该系统采用的PWM型DC-DC转换器并未优化光伏功率，并且高频工作的开关电路缺乏ZVS机制，导致功率损耗大、效率低下。

8. 用于冷等离子体产生的光伏电池可调高压脉冲电源设计^{[ 8 ]}

Mengqi Li 等人设计了一种太阳能等离子发生器，该发生器采用多级升压转换器来充分提高电压。他们利用马尔克斯发生器来调整频率（范围从 500Hz 到 5kHz），随后利用变压器将电压提升至 10kV 以产生等离子。

• 第一级升压转换器采用MPPT算法对电池充电。
• 采用六级马尔克斯发生器，变压器匝比为1：18，采用双线并绕方式。
• 他们使用三种放电类型对等离子发生器进行了测试：N-APPJ、DBD 和针板。

9. 用于微生物净化应用的太阳能手持式等离子源。^{[ 9 ]}

Y Ni、MJ Lynch 等、Mengqi Li 等设计了一种用于微生物净化的手持式等离子源。

• 这款设备非常轻便，重量仅为 750 克，由太阳能电池供电。
• 微生物数量的减少范围为2至8个对数，受等离子体生成条件的强烈影响。
• 在 SMPS 单元中，采用升压转换器将锂聚合物电池的标称 7.4V 提升至 30V。随后，MOSFET 半桥将 30V DC 信号斩波为高频方波，适合驱动微型高压变压器。变压器的输出直接连接到 SBD 电极。
• 在电池充满电的情况下，可以观察到耗散 10W 的等离子体可以连续维持约 1 小时，表明效率约为 85%，这对于这种性质的开关电源来说是典型的。
• 虽然适用于低功率等离子体，但扩大规模对于这种类型的设备来说是一个挑战。

10. 太阳能分散式供水系统：解决工业废水处理和清洁饮用水供应挑战的更清洁的解决方案^{[ 10 ]}

Ainy Hafeez、Zufishan Shamair 等人设计了利用太阳能等离子系统的分散式废水处理。

• 交流电通入反应堆，在常压下带电电极和接地电极之间产生等离子体（Liu et al.，2017a）。空气击穿发生在3.8 kV，电流频率为37 kHz。
• 实现清洁饮用水供应的潜在解决方案可能在于采用分布式饮用水系统，该系统包含由太阳能供电的高级氧化反应器。在他们的装置中，采用了由太阳能逆变器系统供电的等离子发生器。
• 虽然他们提供了该过程的示意图，但并未进行实验实施。

个人用途太阳能发电系统

11. 个人使用的便携式自主太阳能发电厂^{[ 11 ]}
Javoxir Toshov 等人设计了一种基于太阳能电池的便携式太阳能发电厂。

• 太阳能电池板可产生 20 瓦的电力，逆变器可处理高达 300 瓦的电力，输出电压为 220V，频率为 50Hz。电池容量为 14Ahr，可为电视和室内照明供电长达 4 小时，或仅为室内照明供电 20 小时。
• 最大功率跟踪算法尚未实施，也没有遵循适当的电池充电方法。

12. 家用离网混合在线太阳能电源调节装置^{[ 12 ]}
Mohit Chaudhari 等人设计了一种 UPS，它通过电池向电网供电，并使用 MPPT 充电控制器来利用太阳能。

• 带有 MPPT 实现的降压转换器已用于为 48V 电池组充电。
• 采用DSPic控制器，它是DSP处理器和微控制器的混合组合。
• 采用基于 IGBT 的逆变器。并使用混合 IGBT 驱动器来隔离 PWM 栅极信号并将其放大。并使用光耦合器在驱动器和控制器之间提供电气隔离。
• 系统效率非常高，满负荷时可达85%以上。

13. 太阳能逆变器^{[ 13 ]}
SMA 太阳能技术公司是全球太阳能逆变器市场的领导者，全球装机容量超过 4 GW，该公司的 Regine Mallwitz 等人在本文中将并网逆变器分为三代，并讨论了它们的封装和配置。

• 他们发现逆变器市场的蓬勃发展主要是电网连接逆变器，而用于岛屿安装或个人使用的太阳能逆变器的数量则少得多。
• 第一代逆变器的效率约为 90%，第二代逆变器的效率约为 96-98%，而最新的第三代逆变器的效率由于基于 SiC 的半导体器件的发展而达到 99%。
• 由于单相电网允许最大馈入功率为5kW，因此大部分逆变器都建立在这个功率范围内。
  

14. 配电网太阳能光伏系统逆变器研究与设计^{[ 14 ]}
Nguyen Duc Minh 等模拟设计了 5kW 并网光伏智能逆变器实验样机。

• 他们在升压转换器中加入了 P&O MPPT 算法，以跟踪直流到交流转换之前的最大功率。
• 他们利用 dq 框架来控制三相智能逆变器的电流，该逆变器将公共连接点（PCC）处的无功功率调节为零。
• 他们发现，在三种不同负载下逆变器的效率约为 89.15%，总谐波失真 thd= 4.14% (<5%)。

15. 电压源逆变器模块化控制平台的设计和验证^{[ 15 ]}
Hernan Lezcano 等人提出了一种用于隔离和并网系统且基于 IGBT 的商用 VSI 转换器的信号采集和控制硬件设计的模块化设计。

• 该系统能够为约10kW的负载提供三相电源。
• 他们对系统进行了三种类型的测试：开环、闭环测试和总谐波失真分析。他们发现 THD 水平为 5.3%。
• 他们的所有设计文件和代码都是开源的 - NU 通用公共许可证（GNU GPL v3）。

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关键词	快速文献综述、光伏纳米电网、太阳能供电装置
作者	穆罕默德·穆塔卡比尔·拉赫曼
执照	CC-BY-SA-4.0
语言	英语(en)
翻译	波兰语、中文
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创建	2023 年4 月 24 日作者：Md Motakabbir Rahman
上次修改时间	2023 年12 月 21 日，作者：StandardWikitext bot
引用	Md Motakabbir Rahman (2023)。“文献综述：等离子发生器的开源太阳能供电装置”。Appropedia 。检索日期：2025 年 1 月 13 日。
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