便携式光伏电源系统的设计

黄惠豪，谭嘉祺，吴晓勇

惠州城市职业学院，广东 惠州 516000

0 引言

近年来，随着社会和经济的发展，电力应用面临新的问题，研究便携式、可移动的电源系统可以帮助解决人们相关问题，摆脱固定电线的束缚[1]。

人们谈论最多的替代能源之一是太阳能。太阳能的利用是通过单晶或多晶太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在电池中，太阳能电池板已被广泛用于街道照明[2]。但是太阳能电池板的安装大多是静态的，当太阳光线不垂直于电池板表面时，电池板的发电量低于最大值，这使得太阳能电池板的安装开始配备机械光跟踪系统[3]。但机械光跟踪系统在一个轴上的移动角度仅为180°，为一个半圆和凸面部分，系统必须始终位于太阳旋转的路径下。虽然也有人尝试使用双轴运动系统，但大多数系统仍然设计为固定位置。

文章将太阳能电池板的机械运动改为两个轴，垂直轴的仰角为120°，水平轴的方位角为360°，系统的运动可以模拟为半球形，可以使阳光始终垂直于太阳能电池板的表面。

1 系统设计

光伏电池的直流电需要通过交流应用的变频器转换为交流电，当太阳能与电网集成为商业应用的附加电源时，随着天气条件的变化，太阳辐射的瞬时值发生变化，太阳能电池板的输出直流电压在低水平和高水平之间波动。光伏组件的最大功率点（MPP）随外界条件和电池温度的变化而变化，当太阳能电池阵列或太阳能电池板在独立配置下工作时，无法可靠地提供调节良好的负载电压。

设计采用微控制器ATMEGA8535作为主控系统，2个直流电机作为机械面板调节器，罗盘传感器作为位置传感器，LDR传感器面板作为垂直轴移动传感器。该系统在低电压水平或低太阳辐射下可能发生电压波动，并产生输出电压Vout（取值为+12 V、0 V、-12 V）。在电源电路中增加一个断电保护部分，当太阳能电池板的电压低于限定的较低水平时，切断太阳能电池板。采用NI MULTISM电子电路设计模拟软件模拟所有阶段，不同阶段的仿真结果反映了电子设计的有效性。

系统启动后，微控制器等待输入命令选择自动或手动模式。如果系统处于自动模式，微控制器将读取水平轴罗盘传感器的位置，以检查系统是否已与太阳方向对齐。如果位置未对齐，微控制器将输出控制指令，控制水平轴电机旋转平板，使其朝向东方。当达到朝东位置时，微控制器将从3个LDR光传感器读取ADC值，以确定太阳光的入射角。如果东LDR的ADC值大于中LDR和西LDR的值，太阳能电池板将朝东；如果西LDR的ADC值大于其他两个LDR的值，太阳能电池板将向西倾斜；如果东、中LDR的ADC值大于西LDR，或者中、西LDR的ADC值大于东LDR，面板垂直轴的位置朝上（与日出成90°角）。在达到面板角度后，微控制器将通过齐纳二极管传感器读取电池电压。如果电池处于满负荷状态，微控制器将打开逆变器，在这种情况下通过读取负载值来控制负载。当负载超过逆变器输出时，微控制器将在LCD上显示“过载”警报，并暂时断开系统，以防止过度使用。

1.1 LDR光传感器结构设计

太阳能跟踪系统的设计使用LDR作为传感器，LDR将使用avoltage分隔器组装。用光线检测器进行检测，然后比较三个LDR的光照强度。光传感器结构如图1所示。

图1 光传感器结构示意图

有光照射时，LDR电导率改变，三个方位的光照强度不同，电阻值也不同，经电压比较器可以得知三个方向光照强度大小。

1.2 电池充电结构设计

当电池充满电时，电路使用继电器作为主开关；当电池电量未满时，继电器将关闭或处于常闭位置。电池充电传感器是一个12 V的齐纳二极管D1，当电池充满时，齐纳二极管将切换到晶体管Q2的基极。Q2用作电气开关，用于从R2切换接地电流，从而点亮LED指示灯，并读取微控制器C.7引脚上的逻辑0。当微控制器中的C.7引脚接收到逻辑0时，微控制器将打开最右边的继电器1，使其向D1断开，D1通常不会接收到超过12 V的电压。蓄电池的充电结构如图2所示。

图2 蓄电池的充电结构示意图

1.3 逆变器电路设计

系统使用的逆变器是4047IC，组成包括MOSFET晶体管、5 A变压器和继电器。IC 4047用作方波发生器，可以切换MOSFET晶体管到IRF540N，以执行推挽变压器。使用MOSFET晶体管的逆变器预计能够承受高达150 W的负载。当电池电量未达到最低电量或充满电时，逆变器上的继电器用作开关，逆变器无法接通。逆变器电路图如图3所示。

图3 逆变器电路图

2 系统测试

2.1 LDR光传感器测试

LDR光传感器的测试通过测量LM324输出端的电压完成，LM324是微控制器ATMEGA8535的ADC端口。测试电路可以从模拟太阳能电池板瞬时输出电压变化的可变直流电源接收可变直流电压水平。由于选定的齐纳二极管的击穿电压为9.1 V，输入电压大约在10～50 V范围内变化，电路可以产生约8.4 V的固定直流电压。变压器的选定电压变比为1∶1.1，变压器的二次端子电压几乎没有增加。在二次变压器的端子上使用2个整流器，可以产生正电压和负电压。

2.2 逆变器测试

直流-交流逆变器测试通过12 V的直流电压来完成。为了使150 W的直流-交流逆变电路工作，电压为12 V，输出部分由数字电压表和数字电流表连接。IC CD4074用作发电机。使用3个灯泡（每个灯泡的功率为23 W）负载测试150 W逆变器的输出结果。操作过程会产生2个固定的直流电压电平（+12 V和-12 V）。测试电路包括两个部分，每个部分包括2个调节器，以产生2个调节电压水平，可以显示输入为+24 V和-24 V的模拟结果，记录涵盖0～50 V的广泛输入直流电压的变化。

2.3 太阳能电池组件测试

太阳能电池测试在09：00—15：00进行，直接测量太阳能电池组件两极的输出电压，测量电路如图4所示。

图4 太阳能电池组件测试电路图

此电路与其他电路分开工作，电路可以测量太阳能电池板输出电压或输入可变直流电源电压的瞬时值。电路通过单独的内部调节器将输入电压用作电源，然后监测电压值，并使用通用运算放大器将测量值与所需的可调节下限比较。比较的结果决定了为PVS系统供电的正负电平之间的关系。通过继电器触点进行控制，以保护工作中的光伏系统免受任何弱电源电压水平对系统中包含的电子电路的影响。太阳能电池板的输出结果表明，在接近最大电压（20 V）的情况下，太阳能电池板可以保持稳定，由于云层覆盖导致的一些下降除外。静态和配备跟踪器的太阳能电池板之间的输出电压比较如图5所示。

图5 静态和配备跟踪器的太阳能电池板的输出电压比较

3 讨论

对完全组装好的部件进行测试，重点放在支架上。测试目标：当基板的方向改变时，面板支架可以向东对齐；面板可以追踪太阳的高度，逆变器可以支撑负载；电源选择开关在过载时工作正常。从测试结果来看，基板可以以5°/s的速度朝东对齐。

静态面板输出在上午测得，为16 V，而配备跟踪器的输出为19 V，二者在中午左右达到峰值（在20～21 V），然后在13：00后，静态面板的输出开始下降，而配备跟踪器的面板可以保持稳定的输出电压。计算系统性能，得出以下结果：电池容量为12 V，5 A·h；负载为46 W（2×23 W）；负载电压为220～240 V；负载电流为1.13 A；承重持续时间为5 A·h÷1.13 A=4.4 h（2个灯具，每个23 W）。在负载测试中，逆变器和电池的负载高达46 W，由1对23 W的灯模拟，存储的能量可以支持负载超过4 h；理论上，如果完全放电，可以持续5 h。逆变器本身会消耗能量，当电压降至9 V以下时，逆变器将停止工作。需要产生方波来触发晶体管执行推挽，并将面板和电池的直流输出转换为负载的交流。

4 结束语

太阳能可以有效地用作任何光伏系统的替代电源，所有光伏系统都需要合适且稳定的直流电源，以确保所含电子电路的正常工作。文章设计了一种便携式光伏电源系统，并进行了测试。测试完成后，可得出如下结论：光伏电源可以跟踪太阳在水平面（方位角）和垂直面（仰角）的位置，跟踪器可以使太阳能电池板垂直于入射阳光的方向来维持输出。设计的追踪器轻便，可在应急装置上便携式使用，也有可能用于其他移动平台。