便攜式光伏電源系統的設計

黃惠豪，譚嘉祺，吳曉勇

惠州城市職業學院，廣東 惠州 516000

0 引言

近年來，隨著社會和經濟的發展，電力應用面臨新的問題，研究便攜式、可移動的電源系統可以幫助解決人們相關問題，擺脫固定電線的束縛[1]。

人們談論最多的替代能源之一是太陽能。太陽能的利用是通過單晶或多晶太陽能電池板將太陽能轉化為電能并儲存在電池中，太陽能電池板已被廣泛用于街道照明[2]。但是太陽能電池板的安裝大多是靜態的，當太陽光線不垂直于電池板表面時，電池板的發電量低于最大值，這使得太陽能電池板的安裝開始配備機械光跟蹤系統[3]。但機械光跟蹤系統在一個軸上的移動角度僅為180°，為一個半圓和凸面部分，系統必須始終位于太陽旋轉的路徑下。雖然也有人嘗試使用雙軸運動系統，但大多數系統仍然設計為固定位置。

文章將太陽能電池板的機械運動改為兩個軸，垂直軸的仰角為120°，水平軸的方位角為360°，系統的運動可以模擬為半球形，可以使陽光始終垂直于太陽能電池板的表面。

1 系統設計

光伏電池的直流電需要通過交流應用的變頻器轉換為交流電，當太陽能與電網集成為商業應用的附加電源時，隨著天氣條件的變化，太陽輻射的瞬時值發生變化，太陽能電池板的輸出直流電壓在低水平和高水平之間波動。光伏組件的最大功率點（MPP）隨外界條件和電池溫度的變化而變化，當太陽能電池陣列或太陽能電池板在獨立配置下工作時，無法可靠地提供調節良好的負載電壓。

設計采用微控制器ATMEGA8535作為主控系統，2個直流電機作為機械面板調節器，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傳感器。該系統在低電壓水平或低太陽輻射下可能發生電壓波動，并產生輸出電壓Vout（取值為+12 V、0 V、-12 V）。在電源電路中增加一個斷電保護部分，當太陽能電池板的電壓低于限定的較低水平時，切斷太陽能電池板。采用NI MULTISM電子電路設計模擬軟件模擬所有階段，不同階段的仿真結果反映了電子設計的有效性。

系統啟動后，微控制器等待輸入命令選擇自動或手動模式。如果系統處于自動模式，微控制器將讀取水平軸羅盤傳感器的位置，以檢查系統是否已與太陽方向對齊。如果位置未對齊，微控制器將輸出控制指令，控制水平軸電機旋轉平板，使其朝向東方。當達到朝東位置時，微控制器將從3個LDR光傳感器讀取ADC值，以確定太陽光的入射角。如果東LDR的ADC值大于中LDR和西LDR的值，太陽能電池板將朝東；如果西LDR的ADC值大于其他兩個LDR的值，太陽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）。在達到面板角度后，微控制器將通過齊納二極管傳感器讀取電池電壓。如果電池處于滿負荷狀態，微控制器將打開逆變器，在這種情況下通過讀取負載值來控制負載。當負載超過逆變器輸出時，微控制器將在LCD上顯示“過載”警報，并暫時斷開系統，以防止過度使用。

1.1 LDR光傳感器結構設計

太陽能跟蹤系統的設計使用LDR作為傳感器，LDR將使用avoltage分隔器組裝。用光線檢測器進行檢測，然后比較三個LDR的光照強度。光傳感器結構如圖1所示。

圖1 光傳感器結構示意圖

有光照射時，LDR電導率改變，三個方位的光照強度不同，電阻值也不同，經電壓比較器可以得知三個方向光照強度大小。

1.2 電池充電結構設計

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

圖2 蓄電池的充電結構示意圖

1.3 逆變器電路設計

系統使用的逆變器是4047IC，組成包括MOSFET晶體管、5 A變壓器和繼電器。IC 4047用作方波發生器，可以切換MOSFET晶體管到IRF540N，以執行推挽變壓器。使用MOSFET晶體管的逆變器預計能夠承受高達150 W的負載。當電池電量未達到最低電量或充滿電時，逆變器上的繼電器用作開關，逆變器無法接通。逆變器電路圖如圖3所示。

圖3 逆變器電路圖

2 系統測試

2.1 LDR光傳感器測試

LDR光傳感器的測試通過測量LM324輸出端的電壓完成，LM324是微控制器ATMEGA8535的ADC端口。測試電路可以從模擬太陽能電池板瞬時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范圍內變化，電路可以產生約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有增加。在二次變壓器的端子上使用2個整流器，可以產生正電壓和負電壓。

2.2 逆變器測試

直流-交流逆變器測試通過12 V的直流電壓來完成。為了使150 W的直流-交流逆變電路工作，電壓為12 V，輸出部分由數字電壓表和數字電流表連接。IC CD4074用作發電機。使用3個燈泡（每個燈泡的功率為23 W）負載測試150 W逆變器的輸出結果。操作過程會產生2個固定的直流電壓電平（+12 V和-12 V）。測試電路包括兩個部分，每個部分包括2個調節器，以產生2個調節電壓水平，可以顯示輸入為+24 V和-24 V的模擬結果，記錄涵蓋0～50 V的廣泛輸入直流電壓的變化。

2.3 太陽能電池組件測試

太陽能電池測試在09：00—15：00進行，直接測量太陽能電池組件兩極的輸出電壓，測量電路如圖4所示。

圖4 太陽能電池組件測試電路圖

此電路與其他電路分開工作，電路可以測量太陽能電池板輸出電壓或輸入可變直流電源電壓的瞬時值。電路通過單獨的內部調節器將輸入電壓用作電源，然后監測電壓值，并使用通用運算放大器將測量值與所需的可調節下限比較。比較的結果決定了為PVS系統供電的正負電平之間的關系。通過繼電器觸點進行控制，以保護工作中的光伏系統免受任何弱電源電壓水平對系統中包含的電子電路的影響。太陽能電池板的輸出結果表明，在接近最大電壓（20 V）的情況下，太陽能電池板可以保持穩定，由于云層覆蓋導致的一些下降除外。靜態和配備跟蹤器的太陽能電池板之間的輸出電壓比較如圖5所示。

圖5 靜態和配備跟蹤器的太陽能電池板的輸出電壓比較

3 討論

對完全組裝好的部件進行測試，重點放在支架上。測試目標：當基板的方向改變時，面板支架可以向東對齊；面板可以追蹤太陽的高度，逆變器可以支撐負載；電源選擇開關在過載時工作正常。從測試結果來看，基板可以以5°/s的速度朝東對齊。

靜態面板輸出在上午測得，為16 V，而配備跟蹤器的輸出為19 V，二者在中午左右達到峰值（在20～21 V），然后在13：00后，靜態面板的輸出開始下降，而配備跟蹤器的面板可以保持穩定的輸出電壓。計算系統性能，得出以下結果：電池容量為12 V，5 A·h；負載為46 W（2×23 W）；負載電壓為220～240 V；負載電流為1.13 A；承重持續時間為5 A·h÷1.13 A=4.4 h（2個燈具，每個23 W）。在負載測試中，逆變器和電池的負載高達46 W，由1對23 W的燈模擬，存儲的能量可以支持負載超過4 h；理論上，如果完全放電，可以持續5 h。逆變器本身會消耗能量，當電壓降至9 V以下時，逆變器將停止工作。需要產生方波來觸發晶體管執行推挽，并將面板和電池的直流輸出轉換為負載的交流。

4 結束語

太陽能可以有效地用作任何光伏系統的替代電源，所有光伏系統都需要合適且穩定的直流電源，以確保所含電子電路的正常工作。文章設計了一種便攜式光伏電源系統，并進行了測試。測試完成后，可得出如下結論：光伏電源可以跟蹤太陽在水平面（方位角）和垂直面（仰角）的位置，跟蹤器可以使太陽能電池板垂直于入射陽光的方向來維持輸出。設計的追蹤器輕便，可在應急裝置上便攜式使用，也有可能用于其他移動平臺。