基于MPPT控制的新型仿生学太阳树灯设计

夏绍燕，陈庆东，王俊平，屈文亭，秦利娟，刘 华

（滨州学院，山东 滨州 256600）

目前太阳能系统存在普遍的问题就是发电效率不高。现阶段，太阳能系统应用的研究主要集中在提高太阳能系统效率方面，如高精度阳光跟踪系统，但是由于此系统维护成本较高，设计较为复杂，不利于在生活方面的推广，所以如何更好的提高太阳能发电系统的发电效率是值得研究的［1－2］。

现实生活中太阳能电池板大多是单一的固定式支架结构，而太阳是随着时间和天气变化的，因而照射在太阳能电池板的单位面积的照度是不高的，基于这种现象，本研究设计的是基于MPPT控制的新型仿生学太阳能树灯，此设计是仿造树的结构，让太阳能电池板排布在树支架的四周，这样将使得总体太阳能的利用效率大大提高了，同时系统还采用MPPT控制的方式，实现了光伏电池的最大功率跟踪和输出。此外本作品具有一般路灯的功能，同时还具有节能环保、经济实惠、美观等优点，因此具有广阔的应用价值［3－6］。

1 设计方案

观察现实生活中的树，就会发现树枝的分布好像是很有规律的。因此设想设计这样一个符合一定数列规律的树枝架然后将太阳能电池板放在支架上，寄望于能够提高太阳能的利用率。

1.1 系统设计框架图

太阳能树灯系统有以下几个部分组成：太阳能树灯电池板组（包括树枝架和太阳能电池板）、WS－ALMPPT15控制器、蓄电池、逆变器、负载（直流负载、交流负载），见图1。

图1 太阳能树灯系统

1.2 太阳能树电池板组的设计

1.2.1 树架材料的选择

考虑到材料的经济性、节能环保以及推广使用时需要着重考虑其重量，而PPR管具有如下特点：卫生健康环保；耐高温，耐压性能好，输送阻力小；价格便宜适中；使用寿命长，因此，我们选择PPR管作为树架的材料。

1.2.2 设计树的结构

细细观察生活中树枝的结构，就会发现不用种类的树的树枝规律是不一样，而且很难用一个统一的原理去归纳它；再者，如果针对某一棵树时，也是很难用理论完全的解释为什么这种结构能提高太阳光的利用率，所以树的分布的设计是一个难点。针对很难发觉树枝分布的规律问题，首先设计树支架的模型图和实物图，见图2。

图2 树枝架的模型图和实物图

对于树支架我们设计总共五层，每一层焊接四个支架，四个支架之间两两垂直。此外，每一层的支架长度相同，各层的支架长度，从上往下依次成等差数列，第一层支架20cm，第二层支架30cm……，第五层支架60cm。这样总体受光面积得到很大的提高，继而提高太阳能电池板的采光面积，大大的提高太阳能的利用率。

1.2.3 电池板的排列设计

作品中的太阳能电池板的规格是80mm＊60mm＊3mm，电压：5.5V，电流：130mA，考虑到蓄电池是12V，因此需要将三块电池板串联在一起，然后将其并联在同一端。如果在一个树枝上放三块太阳能电池板，并将其串联，虽然实施铺线时很简单，但是这样容易使串联的三块的太阳能电池板的总电压不一致，甚至产生大的偏差，而且电流只取其中做小的那个为标准。

为使串联的三块太阳能电池的总电压尽可能的一致，采用如下办法解决此问题：

图3 树枝架某一层的俯视图

如图3，在每一层的一个树杈上安置三块太阳能电池板，将某一层的电池按照逆时针标记为1，2，3；4，5，6；7，8，9；10，11，12；为了使串联在一起的电池板受太阳光面积尽可能一致，我们将标号为1，4，7；2，6，10；3，8，12；5，9，11的电池板串联在一起。

另外太阳能电池板采集太阳光会受到电池板放置的位置的影响，所以需要考虑到电池板放在支架的倾斜角度（由于树架 各个方向都放有太阳能电池板，所以不需要考虑太阳能电池板放置的方位角），而倾斜角的选取，见表1：

表1 纬度和太阳能电池板倾角的关系

滨州的地理位置是北纬37.22东经118.02，所以我们选取倾角为45°，所以树杈与树的主干部分也成45°。

由于在将三块太阳能光伏电池板串联时，如果三块电池板的电流不一样的话，那么总电流是以最小电流为标准的，因此，我们将朝向太阳的三个方向的树枝上放置太阳能电池板，与太阳能背离程度大的那一排树枝不放置太阳能电池板，经过测试发现，这个经过这样的优化后，输出的总的功率变大。

1.3 蓄电池

考虑到蓄电池的自放电流要小，耐过充电和放电，而且充放电效率要高，价格低廉，使用方便等因素，选用铅酸蓄电池比较合适。

铅酸蓄电池没有记忆能力，同样能在充放电过程中把电能转换成化学能，浮充寿命可达10年以上，必要时，可高速率放电。其材料利用率高，制造工艺简单，结构紧凑，价格比较便宜，并且容量也比较大，适合做太阳能电池方阵的储能装置。

1.4 负载的设计

1.4.1 直流负载的设计

考虑树灯应用方面，在树的主干部分设计一个两个眼的插座，用以作为直流负载，可供手机、MP3、笔记本电脑等电器工作，见图4。

图4 直流负载

1.4.2 交流负载的设计

在实际应用中，大部分负载是需要交流电才能工作的。主要设计了两个交流负载。一个是照明灯，另一个是灯箱。由于电子节能灯具有发光效率高，节能、不产生重金属污染，减排、寿命长、价格低廉等特点，再者考虑到经济性，节能性的要求，因此，采用8W的电子节能灯作为照明灯，供应照明；考虑到欧普T4支架白光具有发光光效高、环保节能，高显色性、经久耐用、安全可靠等优点，因此将其作为灯箱的发光源；然后设计灯箱的框架尺寸是66mm＊33mm＊7mm，再制作一张以“节能减排”为主题的灯箱片，测试时的外观如图5所示：

图5 灯箱

2 控制器的工作原理及性能分析

MPPT系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统。本控制器采用微电脑（CPU）控制技术，白天调节太阳能发电板的工作电压，使太阳能板全天时、全天候始终工作在V－A特性曲线的最大功率点。同普通太阳能路灯控制器相比，可以将光伏组件工作效率提高30%。当天黑时自动开启照明灯，给定照明灯弱光半小时后自动转为强光，到设定时间或天亮时转为晨光。其中强光时间可以随意设定：强光有10个小时可以设置成满功率光＋半功率光。控制器还负责蓄电池的充、放电管理：当蓄电池电压低时，自动关闭照明灯，以保护蓄电池；当蓄电池充满时，自动进入PWM浮充状态；当天黑时，

3 系统的工作性能分析

3.1 系统的工作过程

此新型树灯是以太阳为光源，白天树形的太阳能电池板通过MPPT控制器给铅酸蓄电池充电，晚上供电给灯箱、照明灯、灯带工作。完成制作后，作品实物外形照片见图6。

图6 作品实物外形图照片

3.2 性能分析

经过测试发现，将12V／20Ah的蓄电池充满只需8个小时左右，而理论上需要11个小时，可见这种树形的太阳能系统的储存电能的效果将比平板的光伏电池板高27.3%；经过设置，能实现在设置的时间开启、关闭发光源；见表2，这是测试的上午、下午的太阳能电池板的输出电压、电流的数据，利用EXCEL绘出图形如图7所示.此新型树灯的输出功率总体趋于一致，这有利的说明了此新型太阳能电池板树的输出能量的平均值将高于平板的光伏电池板输出能量的平均值。

表2 测试的电压、电流及功率数值（当地时间温度：20～34℃）

由图7可知，新型树形太阳能电池板的输出电压、电流基本一致，功率大致在20W左右，其中在11：00－13：00时间段内，输出功率有所下降，据分析，可能的原因是在此时间段内，温度过高、太阳辐射强度很大，工作效率下降，进而使得功率下降。

图7 测试的电压、电流、功率变化图形

4 结 论

本文利用仿生学的原理，设计了一种新型的树灯，通过仿造树的结构制作一个树的支架，将太阳能电池板以45°的倾角放在树枝架上，然后通过WS－ALMPPT15控制器和12V／20Ah的铅酸蓄电池、负载（包括直流负载、交流负载）相连。实验测试证明：这种树形的太阳能电池板输出效率、效能较高，有效的改善太阳能电池板输出不均匀，这对于解决生活中的路灯输出效率低、维护成本高等问题具有很现实的意义。

［1］汤宁.一种太阳能路灯的设计［J］.通信与广播电视，2008，4：70－76.

［2］田锦明，邵长杰，刘鹏飞.太阳能路灯智能控制系统［J］.山西电子技术，2011，1：9－11.

［3］卢琳，张仕文.基于 MPPT的智能太阳能充电系统研究［J］.电力电子技术，2007，41（2）：96－98.

［4］韩斐，潘玉良，苏忠贤.固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究［J］.工程设计学报，2009，16（5）：348－353.

［5］张先富，照明富，王朝选.小型太阳能广告灯箱的设计［J］.磁性材料及器件，2009，40（4）：53－56.

［6］蒋跃文.基于集体运算的太阳能控制器［J］.大学物理实验，2012，21（4）：32－35.