丁晨光，石皓巖，趙 達(dá)

（北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

車棚棚頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)研究

丁晨光，石皓巖，趙 達(dá)

（北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

為合理有效利用太陽能資源，研究實(shí)現(xiàn)了車棚棚頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)。提出采用光電單軸追蹤及超級電容—蓄電池混合電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的缺點(diǎn)，通過在超級電容與蓄電池之間加入boost-buck變換器保證蓄電池充放電的平穩(wěn)性。結(jié)合車棚使用特點(diǎn)，利用儲(chǔ)能蓄電池直接對電動(dòng)自行車進(jìn)行充電的DC-DC方案來減少因整流逆變造成的損耗。設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器的新型光強(qiáng)追蹤結(jié)構(gòu)，采用雙推桿進(jìn)行光強(qiáng)追蹤控制。系統(tǒng)的實(shí)際測試效果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、有效運(yùn)行，并具有較大的節(jié)能潛力。

光電單軸追蹤；超級電容—蓄電池混合電源；boos t-buck變換器；雙推桿結(jié)構(gòu)

0 引言

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口數(shù)量不斷增加使得全球?qū)δ茉吹男枨笤絹碓酱螅壳暗闹饕茉慈匀粊碜杂诨剂?，出于可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略考慮，可再生能源的開發(fā)得到越來越多的重視[1]。其中，太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，但其具有占地面積大、能量密度低、發(fā)電輸出不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，這些問題也在一定程度上限制了太陽能發(fā)電的發(fā)展。

隨著我國車輛的快速增加，車棚將會(huì)越來越多，如果能有效利用車棚頂部的閑置面積，在車棚上裝設(shè)太陽能電池板進(jìn)行光伏發(fā)電，便能有效收集太陽光資源，并能夠?yàn)殡妱?dòng)車提供充電服務(wù)，也可滿足夜間的照明需求，在條件允許的情況下還可以將電能輸送至電網(wǎng)，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般需要配置儲(chǔ)能裝置才能工作。傳統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用鉛酸蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入能量的穩(wěn)定性。但是，鉛酸蓄電池存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如循環(huán)壽命短、嚴(yán)格的充放電電流等，這些問題限制了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展[2-3]。另外，超級電容是一種新型、高效、實(shí)用的儲(chǔ)能元件，具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。但是，與其他儲(chǔ)能裝置相比，超級電容器的能量密度較低，難以作為獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)使用，而與蓄電池配合使用則能夠優(yōu)勢互補(bǔ)。

因此，本文提出一種車棚棚頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要包括太陽角度追蹤功能、超級電容—蓄電池混合儲(chǔ)能功能、綜合控制功能和設(shè)備充電功能。首先，將太陽能電池板收集的電能儲(chǔ)存在超級電容中，再利用DC-DC整流電路將穩(wěn)定的電能儲(chǔ)存到蓄電池，確保蓄電池充電時(shí)輸入電壓穩(wěn)定、電流充足，從而達(dá)到延長蓄電池壽命和充分發(fā)揮出其使用效果的目的。同時(shí)，該設(shè)計(jì)利用車棚的頂部空間作為電池板的鋪設(shè)空間，不增加額外占地面積，也能夠?yàn)檐嚺飪?nèi)的電動(dòng)自行車等提供充電功能，還能夠用于照明和手機(jī)等設(shè)備的充電。

1 光強(qiáng)追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同等條件下，太陽能發(fā)電采用自動(dòng)追蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量高，圖1對固定接收太陽光和追蹤太陽光所吸收能量的差異進(jìn)行了對比。相關(guān)研究表明，光伏系統(tǒng)單軸追蹤太陽光比固定接收太陽光的光接收率要高出約15%[6]。因此，太陽能發(fā)電系統(tǒng)有必要進(jìn)行光強(qiáng)追蹤控制。

圖1 固定接收太陽能和追蹤太陽光吸收能量比較

常見的閉環(huán)太陽追蹤方式主要有兩種：一種是利用攝像頭的圖像傳感器，另一種是利用光電傳感器采集光強(qiáng)信號(hào)[1]。前者對硬件及算法要求較高，實(shí)現(xiàn)較為困難。本文采用后者，利用改進(jìn)型光電傳感器進(jìn)行光強(qiáng)追蹤。具體方法為：將2塊完全相同的光敏元器件間隔一定距離水平并排放置，并在2塊光敏元件間固定一個(gè)遮光塊。當(dāng)太陽光垂直于接收面時(shí)，2塊光敏元器件上得到的太陽光輻射相同，此時(shí)2塊光敏元器件的光電流相等；若陽光斜射，由于遮光塊的作用，其中一邊的光敏元件會(huì)處于遮光塊陰影中，這時(shí)會(huì)使得2塊光敏元件上的光輻射量不同，因而感生的光電流出現(xiàn)差值，這樣便可利用該光電流差值來調(diào)整電池板朝向。

采用TLS2561的光敏元件將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，該元件為光—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有直接I2C接口或者SMBus接口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)設(shè)備均連接一個(gè)帶寬的光敏二極管，以及在單獨(dú)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 CMOS (complementary metal oxide semiconductor)集成電路上的一個(gè)紅外響應(yīng)光敏二極管。2個(gè)光電集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC (analog to digital converter)將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字輸出，該數(shù)值為各通道的測量光強(qiáng)。

圖2 TSL256x內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)太陽光直射時(shí)，2塊光電傳感器接收光強(qiáng)相同。當(dāng)太陽光斜射時(shí)，陽光會(huì)被遮光塊遮擋，如圖3所示。2塊光電傳感器接收的光強(qiáng)有所不同，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生差值信號(hào)，正是利用該差值來驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)。此外，傳感器的靈敏度可以通過調(diào)整遮光塊的寬度進(jìn)行改變。

圖3 光電傳感器—斜射光

光強(qiáng)自動(dòng)追蹤機(jī)械控制裝置采用雙推桿結(jié)構(gòu)，即用2個(gè)聯(lián)動(dòng)的電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電池板角度調(diào)整。機(jī)械裝置的具體結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)示意圖分別如圖4和圖5所示。通過2根電動(dòng)推桿的伸縮配合實(shí)現(xiàn)水平方向的角度調(diào)整，通過控制恒速伸縮的電動(dòng)推桿通電時(shí)間即可控制太陽能電池板的調(diào)整角度。

圖4 光強(qiáng)追蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖5 光強(qiáng)追蹤裝置運(yùn)動(dòng)示意圖

假定采用的推桿伸縮速度為12 mm/s，行程為20 cm，推桿鉸鏈距固定轉(zhuǎn)軸11 cm，太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為120°，根據(jù)幾何關(guān)系，即可計(jì)算出電動(dòng)推桿的調(diào)整率約為7°/秒。

為避免雜光影響傳感器判別太陽位置，同時(shí)考慮實(shí)時(shí)調(diào)整的能耗，光強(qiáng)追蹤裝置采取間歇式工作方式，每30 min調(diào)整一次，角度矯正完畢后自動(dòng)等待下一次調(diào)整。既能夠有效避免實(shí)時(shí)調(diào)整時(shí)強(qiáng)烈雜光的干擾，同時(shí)也可減少整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

以2016年北京地區(qū)為例，北京夏至日日出時(shí)間4∶47，日落時(shí)間19∶46，晝長14小時(shí)59分，太陽位置移動(dòng)速度為12°/小時(shí)；冬至日日出時(shí)間7∶33，日落時(shí)間16∶53，晝長9小時(shí)20分，太陽位置移動(dòng)速度約為20°/h。通過計(jì)算可知，電動(dòng)推桿每隔半小時(shí)工作1～2 s即可滿足功能要求。

2 蓄電池充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池的充電方式主要以恒流充電和恒壓充電較為常用。其中，恒流充電對極板沖擊大、能耗高，充電效率一般低于65%[7]。恒壓充電在充電初期蓄電池電壓較低時(shí)，充電電流較大，但隨著電池電壓升高，充電電流也逐漸自動(dòng)減小，其特點(diǎn)是充電時(shí)間短、能量損耗較低，效率可達(dá)80%。根據(jù)光伏小系統(tǒng)特點(diǎn)，若能避免初始充電電流過大，恒壓充電是較為理想的充電方式。在此蓄電池充電采用恒壓充電方式，而為避免充電時(shí)初始電流過大，在充電回路中采取串入電感措施來抑制電流。

通過功率變換器并聯(lián)是一種有源并聯(lián)方式，其通過升壓或降壓的方式對蓄電池和超級電容器進(jìn)行電壓匹配[8]。這種并聯(lián)方式具有超級電容器能量利用充分、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。在此，采用圖6所示的boost-buck功率變換器，其基本原理是當(dāng)可控開關(guān)Q處于通態(tài)時(shí)，電源經(jīng)過Q向電感供電使其儲(chǔ)存能量，此時(shí)電流為i1，同時(shí)電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載供電，然后使Q關(guān)斷，電感L中儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。

圖6 boost－buck變換器電路圖

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零，即

當(dāng)Q處于通態(tài)時(shí)，uL=E；而當(dāng)Q處于斷態(tài)時(shí)，uL=-u0，有

所以輸出電壓為

若改變導(dǎo)通比，則輸出電壓既可以比輸入電壓低，也可以比輸入電壓高。當(dāng)0＜α＜1/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2＜α＜1時(shí)為升壓，因此將該電路也稱之為升降壓斬波電路。若Q和D1為無損耗的理想開關(guān)，則其輸入功率和輸出功率相等，此時(shí)可將其看作直流變壓器。

充電過程時(shí)，電池板首先對超級電容器進(jìn)行充電，電容器電量高于某一閾值后其開始對蓄電池充電，以保證蓄電池充電時(shí)的電壓穩(wěn)定性和電流充足，從而可減少頻繁不穩(wěn)定充電對蓄電池造成的損害。流程圖和充電整體結(jié)構(gòu)分別如圖7所示。

由于超級電容器的端電壓與內(nèi)部儲(chǔ)存的電量成正比，若輸入電壓低于電容器的端電壓則無法繼續(xù)為電容器充電，而太陽能電池板由于受光照強(qiáng)度和氣象等因素影響，輸出功率波動(dòng)較大，難以滿足輸出電壓始終高于電容器充電電壓的要求。為解決該問題，提出利用功率變換器將太陽能電池板不穩(wěn)定的輸出功率變?yōu)楹銐狠敵鰧Τ夒娙萜鬟M(jìn)行充電。當(dāng)電容器充滿電時(shí)，通過功率轉(zhuǎn)換器將超級電容器內(nèi)的電量轉(zhuǎn)換為恒壓輸出對蓄電池充電。

圖7 蓄電池充電流程圖

2.2 蓄電池放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本文的放電對象主要為電動(dòng)自行車，所以放電部分的設(shè)計(jì)也是以為不同電壓等級的電動(dòng)自行車充電為主。需要說明的是，傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在用電時(shí)將蓄電池中儲(chǔ)存的電能先逆變?yōu)?20 V交流電，然后再由用電端整流為直流電給各種電器使用，從儲(chǔ)存到使用經(jīng)歷2次變流過程，中間必然會(huì)有很多的損耗，這對于光伏小系統(tǒng)來說是相當(dāng)不劃算的。所以，為了減少變流過程中的損耗，提出在如智能化太陽能車棚等光伏小系統(tǒng)中，使用DC-DC功率轉(zhuǎn)換器，直接將光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能模塊里的電能轉(zhuǎn)換為用電端可以直接利用的電能，省去2次變流過程，減少系統(tǒng)損耗。

電動(dòng)自行車的電瓶是由標(biāo)準(zhǔn)小蓄電池串并聯(lián)而成，所以有固定的電壓等級，較為常見的電壓等級有36 V、48 V、60 V等，只需針對不同的電壓等級預(yù)先設(shè)置好充電電路即可。

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案對太陽光強(qiáng)自動(dòng)追蹤和蓄電池充電系統(tǒng)功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)測對各項(xiàng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 光強(qiáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證太陽光強(qiáng)自動(dòng)追蹤功能，選擇2016年11月份天氣晴朗的某一天，將裝置放置在室外無遮擋環(huán)境下，對其光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能進(jìn)行測試。系統(tǒng)開機(jī)后每隔30 min測量一次太陽能電池板的自動(dòng)調(diào)整角度，共記錄了10組即5 h的角度數(shù)據(jù)，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。

表1 電池板每30 min調(diào)整角度

從太陽光強(qiáng)自動(dòng)追蹤裝置的角度調(diào)整記錄結(jié)果看，每0.5 h的角度調(diào)整存在0.5°至0.9°的誤差， 隨著誤差的累積第10組角度數(shù)據(jù)誤差達(dá)到6.9°，但仍可滿足實(shí)際的功能需求。

3.2 蓄電池儲(chǔ)能裝置充電驗(yàn)證

在理想的光照環(huán)境下，將12 V 12 AH蓄電池從缺電狀態(tài)到充滿電狀態(tài)需要5 h左右，光照條件較差時(shí)，充電時(shí)間會(huì)有所延長。本次充電測試共用時(shí)6 h，每0.5 h記錄一次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示，充電過程中，蓄電池兩端電壓平穩(wěn)上升，且波動(dòng)較小。達(dá)到最高電壓13.8 V之后自動(dòng)停止充電，有效防止了過充問題。從驗(yàn)證結(jié)果看，蓄電池儲(chǔ)能裝置充電功能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 蓄電池空載充電電流及端電壓變化曲線

4 結(jié)論

為充分利用車棚閑置空間，對車棚棚頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

a）提出采用光電單軸追蹤及超級電容—蓄電池混合電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了太陽能的利用效率。通過在超級電容與蓄電池之間加入boost-buck變換器保證蓄電池充放電的平穩(wěn)性，改善了蓄電池的充放電效果。

b）提出利用儲(chǔ)能蓄電池通過DC-DC轉(zhuǎn)換器直接對電動(dòng)自行車進(jìn)行充電的方案，減少了因整流逆變造成的損耗，并設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器的新型光強(qiáng)追蹤結(jié)構(gòu)，采用雙推桿進(jìn)行光強(qiáng)追蹤控制。

c）根據(jù)設(shè)計(jì)方案對系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并對各功能進(jìn)行了測試驗(yàn)證，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)調(diào)節(jié)有效追蹤太陽光，且實(shí)現(xiàn)對蓄電池的平穩(wěn)充電及對外不同電壓等級的輸出。

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Study on a Solar Power SystemonBicycle Shed Roof

DING Chenguang,SHI Haoyan,ZHAO Da
（School of Automation,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China）

To use solar energy reasonably and efficiently,the shed roof solar power system is designed.The design of photoelectric single axis tracking and super capacitor-battery hybrid power supply is proposed to overcome the disadvantages of traditional stand-alone photovoltaic systems.Boost-buck converter is added between super capacitor and battery to keep the charge and discharge current of batterystable.Consideringthe usingcharacteristics ofthe shed,a method ofcharging the electric bicycle directly by DC-DC converter and battery is used to reduce the loss caused by the rectification and inversion.A newlight intensity tracking structure based on photoelectric sensor is designed and double push rod structure is used to control the angle adjustment mechanism.The results of actual tests show that the systemcan run accuratelyand effectively,and has a great potential for energysaving.

photoelectric single axis tracking；super capacitor-battery hybrid power supply；boost-buck converter；double push rod structure

TM615

A

1671-0320（2017）04-0015-04

2016年北京市大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目支持；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助（CID&TCD201404126）

2017-04-19，

2017-05-05

丁晨光(1996)，男，河南固始人，北京信息科技大學(xué)2014級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科在讀，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)；

石皓巖(1996)，男，河南洛陽人，北京信息科技大學(xué)2014級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科在讀，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)；

趙 達(dá)(1996)，男，北京順義人，北京信息科技大學(xué)2014級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科在讀，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。