夏紹燕，陳慶東，王俊平，屈文亭，秦利娟，劉 華

（濱州學院，山東 濱州 256600）

目前太陽能系統(tǒng)存在普遍的問題就是發(fā)電效率不高?，F(xiàn)階段，太陽能系統(tǒng)應用的研究主要集中在提高太陽能系統(tǒng)效率方面，如高精度陽光跟蹤系統(tǒng)，但是由于此系統(tǒng)維護成本較高，設計較為復雜，不利于在生活方面的推廣，所以如何更好的提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率是值得研究的［1－2］。

現(xiàn)實生活中太陽能電池板大多是單一的固定式支架結構，而太陽是隨著時間和天氣變化的，因而照射在太陽能電池板的單位面積的照度是不高的，基于這種現(xiàn)象，本研究設計的是基于MPPT控制的新型仿生學太陽能樹燈，此設計是仿造樹的結構，讓太陽能電池板排布在樹支架的四周，這樣將使得總體太陽能的利用效率大大提高了，同時系統(tǒng)還采用MPPT控制的方式，實現(xiàn)了光伏電池的最大功率跟蹤和輸出。此外本作品具有一般路燈的功能，同時還具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟實惠、美觀等優(yōu)點，因此具有廣闊的應用價值［3－6］。

1 設計方案

觀察現(xiàn)實生活中的樹，就會發(fā)現(xiàn)樹枝的分布好像是很有規(guī)律的。因此設想設計這樣一個符合一定數(shù)列規(guī)律的樹枝架然后將太陽能電池板放在支架上，寄望于能夠提高太陽能的利用率。

1.1 系統(tǒng)設計框架圖

太陽能樹燈系統(tǒng)有以下幾個部分組成：太陽能樹燈電池板組（包括樹枝架和太陽能電池板）、WS－ALMPPT15控制器、蓄電池、逆變器、負載（直流負載、交流負載），見圖1。

圖1 太陽能樹燈系統(tǒng)

1.2 太陽能樹電池板組的設計

1.2.1 樹架材料的選擇

考慮到材料的經(jīng)濟性、節(jié)能環(huán)保以及推廣使用時需要著重考慮其重量，而PPR管具有如下特點：衛(wèi)生健康環(huán)保；耐高溫，耐壓性能好，輸送阻力小；價格便宜適中；使用壽命長，因此，我們選擇PPR管作為樹架的材料。

1.2.2 設計樹的結構

細細觀察生活中樹枝的結構，就會發(fā)現(xiàn)不用種類的樹的樹枝規(guī)律是不一樣，而且很難用一個統(tǒng)一的原理去歸納它；再者，如果針對某一棵樹時，也是很難用理論完全的解釋為什么這種結構能提高太陽光的利用率，所以樹的分布的設計是一個難點。針對很難發(fā)覺樹枝分布的規(guī)律問題，首先設計樹支架的模型圖和實物圖，見圖2。

圖2 樹枝架的模型圖和實物圖

對于樹支架我們設計總共五層，每一層焊接四個支架，四個支架之間兩兩垂直。此外，每一層的支架長度相同，各層的支架長度，從上往下依次成等差數(shù)列，第一層支架20cm，第二層支架30cm……，第五層支架60cm。這樣總體受光面積得到很大的提高，繼而提高太陽能電池板的采光面積，大大的提高太陽能的利用率。

1.2.3 電池板的排列設計

作品中的太陽能電池板的規(guī)格是80mm＊60mm＊3mm，電壓：5.5V，電流：130mA，考慮到蓄電池是12V，因此需要將三塊電池板串聯(lián)在一起，然后將其并聯(lián)在同一端。如果在一個樹枝上放三塊太陽能電池板，并將其串聯(lián)，雖然實施鋪線時很簡單，但是這樣容易使串聯(lián)的三塊的太陽能電池板的總電壓不一致，甚至產(chǎn)生大的偏差，而且電流只取其中做小的那個為標準。

為使串聯(lián)的三塊太陽能電池的總電壓盡可能的一致，采用如下辦法解決此問題：

圖3 樹枝架某一層的俯視圖

如圖3，在每一層的一個樹杈上安置三塊太陽能電池板，將某一層的電池按照逆時針標記為1，2，3；4，5，6；7，8，9；10，11，12；為了使串聯(lián)在一起的電池板受太陽光面積盡可能一致，我們將標號為1，4，7；2，6，10；3，8，12；5，9，11的電池板串聯(lián)在一起。

另外太陽能電池板采集太陽光會受到電池板放置的位置的影響，所以需要考慮到電池板放在支架的傾斜角度（由于樹架 各個方向都放有太陽能電池板，所以不需要考慮太陽能電池板放置的方位角），而傾斜角的選取，見表1：

表1 緯度和太陽能電池板傾角的關系

濱州的地理位置是北緯37.22東經(jīng)118.02，所以我們選取傾角為45°，所以樹杈與樹的主干部分也成45°。

由于在將三塊太陽能光伏電池板串聯(lián)時，如果三塊電池板的電流不一樣的話，那么總電流是以最小電流為標準的，因此，我們將朝向太陽的三個方向的樹枝上放置太陽能電池板，與太陽能背離程度大的那一排樹枝不放置太陽能電池板，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，這個經(jīng)過這樣的優(yōu)化后，輸出的總的功率變大。

1.3 蓄電池

考慮到蓄電池的自放電流要小，耐過充電和放電，而且充放電效率要高，價格低廉，使用方便等因素，選用鉛酸蓄電池比較合適。

鉛酸蓄電池沒有記憶能力，同樣能在充放電過程中把電能轉換成化學能，浮充壽命可達10年以上，必要時，可高速率放電。其材料利用率高，制造工藝簡單，結構緊湊，價格比較便宜，并且容量也比較大，適合做太陽能電池方陣的儲能裝置。

1.4 負載的設計

1.4.1 直流負載的設計

考慮樹燈應用方面，在樹的主干部分設計一個兩個眼的插座，用以作為直流負載，可供手機、MP3、筆記本電腦等電器工作，見圖4。

圖4 直流負載

1.4.2 交流負載的設計

在實際應用中，大部分負載是需要交流電才能工作的。主要設計了兩個交流負載。一個是照明燈，另一個是燈箱。由于電子節(jié)能燈具有發(fā)光效率高，節(jié)能、不產(chǎn)生重金屬污染，減排、壽命長、價格低廉等特點，再者考慮到經(jīng)濟性，節(jié)能性的要求，因此，采用8W的電子節(jié)能燈作為照明燈，供應照明；考慮到歐普T4支架白光具有發(fā)光光效高、環(huán)保節(jié)能，高顯色性、經(jīng)久耐用、安全可靠等優(yōu)點，因此將其作為燈箱的發(fā)光源；然后設計燈箱的框架尺寸是66mm＊33mm＊7mm，再制作一張以“節(jié)能減排”為主題的燈箱片，測試時的外觀如圖5所示：

圖5 燈箱

2 控制器的工作原理及性能分析

MPPT系統(tǒng)是一種通過調節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。本控制器采用微電腦（CPU）控制技術，白天調節(jié)太陽能發(fā)電板的工作電壓，使太陽能板全天時、全天候始終工作在V－A特性曲線的最大功率點。同普通太陽能路燈控制器相比，可以將光伏組件工作效率提高30%。當天黑時自動開啟照明燈，給定照明燈弱光半小時后自動轉為強光，到設定時間或天亮時轉為晨光。其中強光時間可以隨意設定：強光有10個小時可以設置成滿功率光＋半功率光?？刂破鬟€負責蓄電池的充、放電管理：當蓄電池電壓低時，自動關閉照明燈，以保護蓄電池；當蓄電池充滿時，自動進入PWM浮充狀態(tài)；當天黑時，

3 系統(tǒng)的工作性能分析

3.1 系統(tǒng)的工作過程

此新型樹燈是以太陽為光源，白天樹形的太陽能電池板通過MPPT控制器給鉛酸蓄電池充電，晚上供電給燈箱、照明燈、燈帶工作。完成制作后，作品實物外形照片見圖6。

圖6 作品實物外形圖照片

3.2 性能分析

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，將12V／20Ah的蓄電池充滿只需8個小時左右，而理論上需要11個小時，可見這種樹形的太陽能系統(tǒng)的儲存電能的效果將比平板的光伏電池板高27.3%；經(jīng)過設置，能實現(xiàn)在設置的時間開啟、關閉發(fā)光源；見表2，這是測試的上午、下午的太陽能電池板的輸出電壓、電流的數(shù)據(jù)，利用EXCEL繪出圖形如圖7所示.此新型樹燈的輸出功率總體趨于一致，這有利的說明了此新型太陽能電池板樹的輸出能量的平均值將高于平板的光伏電池板輸出能量的平均值。

表2 測試的電壓、電流及功率數(shù)值（當?shù)貢r間溫度：20～34℃）

由圖7可知，新型樹形太陽能電池板的輸出電壓、電流基本一致，功率大致在20W左右，其中在11：00－13：00時間段內，輸出功率有所下降，據(jù)分析，可能的原因是在此時間段內，溫度過高、太陽輻射強度很大，工作效率下降，進而使得功率下降。

圖7 測試的電壓、電流、功率變化圖形

4 結 論

本文利用仿生學的原理，設計了一種新型的樹燈，通過仿造樹的結構制作一個樹的支架，將太陽能電池板以45°的傾角放在樹枝架上，然后通過WS－ALMPPT15控制器和12V／20Ah的鉛酸蓄電池、負載（包括直流負載、交流負載）相連。實驗測試證明：這種樹形的太陽能電池板輸出效率、效能較高，有效的改善太陽能電池板輸出不均勻，這對于解決生活中的路燈輸出效率低、維護成本高等問題具有很現(xiàn)實的意義。

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