便攜式光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃惠豪，譚嘉祺，吳曉勇

惠州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516000

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力應(yīng)用面臨新的問(wèn)題，研究便攜式、可移動(dòng)的電源系統(tǒng)可以幫助解決人們相關(guān)問(wèn)題，擺脫固定電線的束縛[1]。

人們談?wù)撟疃嗟奶娲茉粗皇翘?yáng)能。太陽(yáng)能的利用是通過(guò)單晶或多晶太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在電池中，太陽(yáng)能電池板已被廣泛用于街道照明[2]。但是太陽(yáng)能電池板的安裝大多是靜態(tài)的，當(dāng)太陽(yáng)光線不垂直于電池板表面時(shí)，電池板的發(fā)電量低于最大值，這使得太陽(yáng)能電池板的安裝開(kāi)始配備機(jī)械光跟蹤系統(tǒng)[3]。但機(jī)械光跟蹤系統(tǒng)在一個(gè)軸上的移動(dòng)角度僅為180°，為一個(gè)半圓和凸面部分，系統(tǒng)必須始終位于太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的路徑下。雖然也有人嘗試使用雙軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，但大多數(shù)系統(tǒng)仍然設(shè)計(jì)為固定位置。

文章將太陽(yáng)能電池板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)改為兩個(gè)軸，垂直軸的仰角為120°，水平軸的方位角為360°，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可以模擬為半球形，可以使陽(yáng)光始終垂直于太陽(yáng)能電池板的表面。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏電池的直流電需要通過(guò)交流應(yīng)用的變頻器轉(zhuǎn)換為交流電，當(dāng)太陽(yáng)能與電網(wǎng)集成為商業(yè)應(yīng)用的附加電源時(shí)，隨著天氣條件的變化，太陽(yáng)輻射的瞬時(shí)值發(fā)生變化，太陽(yáng)能電池板的輸出直流電壓在低水平和高水平之間波動(dòng)。光伏組件的最大功率點(diǎn)（MPP）隨外界條件和電池溫度的變化而變化，當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列或太陽(yáng)能電池板在獨(dú)立配置下工作時(shí)，無(wú)法可靠地提供調(diào)節(jié)良好的負(fù)載電壓。

設(shè)計(jì)采用微控制器ATMEGA8535作為主控系統(tǒng)，2個(gè)直流電機(jī)作為機(jī)械面板調(diào)節(jié)器，羅盤傳感器作為位置傳感器，LDR傳感器面板作為垂直軸移動(dòng)傳感器。該系統(tǒng)在低電壓水平或低太陽(yáng)輻射下可能發(fā)生電壓波動(dòng)，并產(chǎn)生輸出電壓Vout（取值為+12 V、0 V、-12 V）。在電源電路中增加一個(gè)斷電保護(hù)部分，當(dāng)太陽(yáng)能電池板的電壓低于限定的較低水平時(shí)，切斷太陽(yáng)能電池板。采用NI MULTISM電子電路設(shè)計(jì)模擬軟件模擬所有階段，不同階段的仿真結(jié)果反映了電子設(shè)計(jì)的有效性。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器等待輸入命令選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式。如果系統(tǒng)處于自動(dòng)模式，微控制器將讀取水平軸羅盤傳感器的位置，以檢查系統(tǒng)是否已與太陽(yáng)方向?qū)R。如果位置未對(duì)齊，微控制器將輸出控制指令，控制水平軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)平板，使其朝向東方。當(dāng)達(dá)到朝東位置時(shí)，微控制器將從3個(gè)LDR光傳感器讀取ADC值，以確定太陽(yáng)光的入射角。如果東LDR的ADC值大于中LDR和西LDR的值，太陽(yáng)能電池板將朝東；如果西LDR的ADC值大于其他兩個(gè)LDR的值，太陽(yáng)能電池板將向西傾斜；如果東、中LDR的ADC值大于西LDR，或者中、西LDR的ADC值大于東LDR，面板垂直軸的位置朝上（與日出成90°角）。在達(dá)到面板角度后，微控制器將通過(guò)齊納二極管傳感器讀取電池電壓。如果電池處于滿負(fù)荷狀態(tài)，微控制器將打開(kāi)逆變器，在這種情況下通過(guò)讀取負(fù)載值來(lái)控制負(fù)載。當(dāng)負(fù)載超過(guò)逆變器輸出時(shí)，微控制器將在LCD上顯示“過(guò)載”警報(bào)，并暫時(shí)斷開(kāi)系統(tǒng)，以防止過(guò)度使用。

1.1 LDR光傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用LDR作為傳感器，LDR將使用avoltage分隔器組裝。用光線檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，然后比較三個(gè)LDR的光照強(qiáng)度。光傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

有光照射時(shí)，LDR電導(dǎo)率改變，三個(gè)方位的光照強(qiáng)度不同，電阻值也不同，經(jīng)電壓比較器可以得知三個(gè)方向光照強(qiáng)度大小。

1.2 電池充電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)電池充滿電時(shí)，電路使用繼電器作為主開(kāi)關(guān)；當(dāng)電池電量未滿時(shí)，繼電器將關(guān)閉或處于常閉位置。電池充電傳感器是一個(gè)12 V的齊納二極管D1，當(dāng)電池充滿時(shí)，齊納二極管將切換到晶體管Q2的基極。Q2用作電氣開(kāi)關(guān)，用于從R2切換接地電流，從而點(diǎn)亮LED指示燈，并讀取微控制器C.7引腳上的邏輯0。當(dāng)微控制器中的C.7引腳接收到邏輯0時(shí)，微控制器將打開(kāi)最右邊的繼電器1，使其向D1斷開(kāi)，D1通常不會(huì)接收到超過(guò)12 V的電壓。蓄電池的充電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蓄電池的充電結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 逆變器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的逆變器是4047IC，組成包括MOSFET晶體管、5 A變壓器和繼電器。IC 4047用作方波發(fā)生器，可以切換MOSFET晶體管到IRF540N，以執(zhí)行推挽變壓器。使用MOSFET晶體管的逆變器預(yù)計(jì)能夠承受高達(dá)150 W的負(fù)載。當(dāng)電池電量未達(dá)到最低電量或充滿電時(shí)，逆變器上的繼電器用作開(kāi)關(guān)，逆變器無(wú)法接通。逆變器電路圖如圖3所示。

圖3 逆變器電路圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 LDR光傳感器測(cè)試

LDR光傳感器的測(cè)試通過(guò)測(cè)量LM324輸出端的電壓完成，LM324是微控制器ATMEGA8535的ADC端口。測(cè)試電路可以從模擬太陽(yáng)能電池板瞬時(shí)輸出電壓變化的可變直流電源接收可變直流電壓水平。由于選定的齊納二極管的擊穿電壓為9.1 V，輸入電壓大約在10～50 V范圍內(nèi)變化，電路可以產(chǎn)生約8.4 V的固定直流電壓。變壓器的選定電壓變比為1∶1.1，變壓器的二次端子電壓幾乎沒(méi)有增加。在二次變壓器的端子上使用2個(gè)整流器，可以產(chǎn)生正電壓和負(fù)電壓。

2.2 逆變器測(cè)試

直流-交流逆變器測(cè)試通過(guò)12 V的直流電壓來(lái)完成。為了使150 W的直流-交流逆變電路工作，電壓為12 V，輸出部分由數(shù)字電壓表和數(shù)字電流表連接。IC CD4074用作發(fā)電機(jī)。使用3個(gè)燈泡（每個(gè)燈泡的功率為23 W）負(fù)載測(cè)試150 W逆變器的輸出結(jié)果。操作過(guò)程會(huì)產(chǎn)生2個(gè)固定的直流電壓電平（+12 V和-12 V）。測(cè)試電路包括兩個(gè)部分，每個(gè)部分包括2個(gè)調(diào)節(jié)器，以產(chǎn)生2個(gè)調(diào)節(jié)電壓水平，可以顯示輸入為+24 V和-24 V的模擬結(jié)果，記錄涵蓋0～50 V的廣泛輸入直流電壓的變化。

2.3 太陽(yáng)能電池組件測(cè)試

太陽(yáng)能電池測(cè)試在09：00—15：00進(jìn)行，直接測(cè)量太陽(yáng)能電池組件兩極的輸出電壓，測(cè)量電路如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能電池組件測(cè)試電路圖

此電路與其他電路分開(kāi)工作，電路可以測(cè)量太陽(yáng)能電池板輸出電壓或輸入可變直流電源電壓的瞬時(shí)值。電路通過(guò)單獨(dú)的內(nèi)部調(diào)節(jié)器將輸入電壓用作電源，然后監(jiān)測(cè)電壓值，并使用通用運(yùn)算放大器將測(cè)量值與所需的可調(diào)節(jié)下限比較。比較的結(jié)果決定了為PVS系統(tǒng)供電的正負(fù)電平之間的關(guān)系。通過(guò)繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行控制，以保護(hù)工作中的光伏系統(tǒng)免受任何弱電源電壓水平對(duì)系統(tǒng)中包含的電子電路的影響。太陽(yáng)能電池板的輸出結(jié)果表明，在接近最大電壓（20 V）的情況下，太陽(yáng)能電池板可以保持穩(wěn)定，由于云層覆蓋導(dǎo)致的一些下降除外。靜態(tài)和配備跟蹤器的太陽(yáng)能電池板之間的輸出電壓比較如圖5所示。

圖5 靜態(tài)和配備跟蹤器的太陽(yáng)能電池板的輸出電壓比較

3 討論

對(duì)完全組裝好的部件進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)放在支架上。測(cè)試目標(biāo)：當(dāng)基板的方向改變時(shí)，面板支架可以向東對(duì)齊；面板可以追蹤太陽(yáng)的高度，逆變器可以支撐負(fù)載；電源選擇開(kāi)關(guān)在過(guò)載時(shí)工作正常。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基板可以以5°/s的速度朝東對(duì)齊。

靜態(tài)面板輸出在上午測(cè)得，為16 V，而配備跟蹤器的輸出為19 V，二者在中午左右達(dá)到峰值（在20～21 V），然后在13：00后，靜態(tài)面板的輸出開(kāi)始下降，而配備跟蹤器的面板可以保持穩(wěn)定的輸出電壓。計(jì)算系統(tǒng)性能，得出以下結(jié)果：電池容量為12 V，5 A·h；負(fù)載為46 W（2×23 W）；負(fù)載電壓為220～240 V；負(fù)載電流為1.13 A；承重持續(xù)時(shí)間為5 A·h÷1.13 A=4.4 h（2個(gè)燈具，每個(gè)23 W）。在負(fù)載測(cè)試中，逆變器和電池的負(fù)載高達(dá)46 W，由1對(duì)23 W的燈模擬，存儲(chǔ)的能量可以支持負(fù)載超過(guò)4 h；理論上，如果完全放電，可以持續(xù)5 h。逆變器本身會(huì)消耗能量，當(dāng)電壓降至9 V以下時(shí)，逆變器將停止工作。需要產(chǎn)生方波來(lái)觸發(fā)晶體管執(zhí)行推挽，并將面板和電池的直流輸出轉(zhuǎn)換為負(fù)載的交流。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能可以有效地用作任何光伏系統(tǒng)的替代電源，所有光伏系統(tǒng)都需要合適且穩(wěn)定的直流電源，以確保所含電子電路的正常工作。文章設(shè)計(jì)了一種便攜式光伏電源系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試完成后，可得出如下結(jié)論：光伏電源可以跟蹤太陽(yáng)在水平面（方位角）和垂直面（仰角）的位置，跟蹤器可以使太陽(yáng)能電池板垂直于入射陽(yáng)光的方向來(lái)維持輸出。設(shè)計(jì)的追蹤器輕便，可在應(yīng)急裝置上便攜式使用，也有可能用于其他移動(dòng)平臺(tái)。