摘要：  本文设计开发了一种单位输出功率大、重量轻、结构小巧、携带方便的便携式光伏集成系统，适用于野外旅游、科学考察等需要移动电源的场合。该系统由拼装式光伏电池组件、折叠式支架、电源控制器等组成，单位质量输出功率在4W/kg左右，是现有便携式太阳能电源单位质量输出功率的2倍多，大大减轻了重量，提高了它的便携性能，具有广阔的市场前景和较高的经济效益。

关键字：  光伏集成系统，  电源控制器，  太阳能

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的最洁净的绿色能源，近年来，世界各国都在深入研究和开发利用太阳能的新技术和新设备。随着生活水平的不断提高，人们越来越崇尚野外旅游或考察，因此，对移动电源的需求十分旺盛。针对现有太阳能电源系统比较笨重、效率较低、携带不方便等缺陷，本文设计开发了一种单位输出功率大、重量轻、结构小巧、携带方便的便携式光伏集成系统，适用于野外旅游、科学考察等需要移动电源的场合。该系统由拼装式光伏电池组件、折叠式支架、电源控制器等组成，单位质量输出功率在4W/kg左右，是现有便携式太阳能电源单位质量输出功率的2倍多，大大减轻了重量，提高了它的便携性能，具有广阔的市场前景和较高的经济效益。

1 前言

人类进入21世纪，能源危机比任何时间都更为迫切，因此，太阳能的应用越来越受到各国政府的重视，纷纷制定大规模的开发利用计划。因为，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。目前，太阳能光伏发电在我国发展十分迅速，各种太阳能光伏发电系统层出不穷，但由于成本过高，大规模的并网光伏发电系统还不现实。因此，现在主要以小型独立式光伏系统为主，作为家庭用电的补充或备用电源。这类产品目前有不少，近年来得到政府的大力推广，被广泛应用在新疆、内蒙、青海、西藏等我国西部缺电地区及游牧民族家庭。对提高我国西部无电、少电地区人民的生活水平起到了相当重要的作用。与此同时，游牧地区的蒙古包内、野外作业、科学考察、探险旅游及军事活动都需要一些小型和超小型的轻便的太阳能供电系统，供电脑、通讯设备和生活之需。而现有的独立式太阳能用户发电系统普遍存在着体积大、损耗大、效率低、可靠性差、造价高等诸多问题，研究和解决这些问题，开发一些适合于不同需求的高效率太阳能光伏发电系统，有利于提升我国太阳能光伏产业的整体水平，促进无污染洁净能源的广泛应用，具有重要意义，这种产品开发成功后有望更多地替代普遍电池的使用，有利于环境保护。且随着人们生活水平的不断提高，外出探险旅游在我国也越来越受到年轻人的喜爱，加上国外市场对此类产品需求强劲，因此，开发这种产品的市场前景十分广阔。

2 便携式光伏集成系统的设计方案

这是一种便于携带的小型的太阳能光伏发电系统，适用于野外科学考察、探险旅游等无供电地区的生活和通讯之需。整个系统包括拼装式光伏电池组件、折叠式支架系统、储能蓄电池组、智能控制器以及根据不同需求经过改造跟光伏供电系统相匹配的照明灯具、彩电音响和播放设备、卫星电视接收设备及卫星通讯设备等负载。其系统框图如图1所示。

图1　太阳电池发电系统框图

本系统采用“平台+模块”的设计方式以满足不同用户的需求。光伏电池组件由拼装式太阳电池板和折叠式支架组成。因为单个光伏电池(如硅电池)的电压太低，所以都要把它们串、并联构成有实用价值的光电池板，作一个应用单元，然后根据供电要求，再由多个应用单元的串、并联组成光伏电池组件。蓄电池组是光伏系统的储能装置，在夜间或光照不足及负载消耗超出光伏电池的发电量时，由蓄电池组向负载供电，为了减轻整个系统的重量，采用高能蓄电池组。在设计整个系统时应综合考虑以下几个方面：一是光强与负载。光伏电池是一种光电转换器件，其输出功率的大小取决于当地的光照强度，要拼装多大的光伏电池组件主要取决于当地光照强度及所用负载的大小;二是蓄电池组的选择。要根据光伏电池组件的发电容量来合理选择蓄电池组的容量，以便在阴雨天及晚上可以由蓄电池向负载供电，为了减轻系统重量，宜选用高储比的锂电池。三是机械强度。考虑到本系统是在野外使用，因此，必须充分考虑到系统的机械强度、耐腐蚀性、耐气候变化等各种因素。光伏电池组件采用高强度钢化玻璃外壳，支架系统采用高强度不锈钢材料，确保其强度。因此，本系统具有便于携带、重量轻、效率高、可靠性好、价格低等优点，与现有相同用途的太阳能用户电源相比，光伏电池组件功率可以减小50%以上，重量减轻50%以上，成本可以降低30%，因此其市场竞争力是十分明显的。

3 便携式光伏集成系统的组成

3.1 拼装式光伏电池组件

为了便于携带，本系统的光伏电池组件采用光电转换效率达20%左右的高性能单晶硅材料，标准光照下的发电功率达到180W/m2。将本系统的光伏电池组件设计成拼装形式，每块300×300大小，输出电压为24V，可根据负载需要拼装成所需输出电压和容量。每块光电池设计出拼接的标准插口，块与块之间可以并联，也可串联，根据负载额定电压大小进行拼接。为了更轻便，光伏电池组件的表面封装不能采用常规3.2mm高透光率的双绒面超白玻璃钢。对替代材料的要求是透光率、二次反射率应符合设计要求;长期紫外线照射不应对透光性能和使用寿命产生影响;且能承受一定的冲击力;重量要轻。根据经验，光伏电池组件的输出电压一般应在负载工作电压的1. 4倍左右，其日发电能力(容量)一般应在负载日耗电量的1. 25倍左右，这样才比较合适。光伏电池组件安装地点的太阳辐射总量，换算成在标准光强AM1.5、电功率=100mW /cm2的平均日辐射时数，光伏电池组件总功率可按下式计算：

式中：系数K为电源储备系数，视光伏电池组件性能和光照条件进行调整，根据试验，其取值范围在1.2到1.5左右较合适;ki为各个用电负载的使用频率，一般取0.5到0.8左右较合适，具体要根据每个负载的使用频度来定;Vi、Ii分别是各个负载的额定电压和额定电流值。

3.2 储能蓄电池组

为了减轻整个光伏系统的重量，方便携带，本系统选用大容量高能锂电池，虽然成本有所增加，但相同容量情况下，可比采用铅酸电池减轻重量4倍以上。因为，锂电池在比能量、寿命及环保等许多方面具有优越的性能。它的比能量可达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，从这个角度讲锂电消耗的资源就少，而且由于锰酸锂电池中所用元素的储量比较多，因此相对铅酸、镍氢电池可能会进一步涨价，锂电池成本反而是进一步降低的。光伏系统采用锂电池后总重量至少可减轻到原来的40%--50%。大大提高了整个系统的便携性能。而且，它的单位体积能量很大，高达400Wh/L，相同容量的体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。为进行小巧、灵活、多变的外形设计提供了更为广阔的设计空间。另外，它的反复充电寿命很长，循环次数可达1000次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3-5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍。还有，由于锂电池不含铅、和镉等重金属，为绿色电池，随着技术的进步，电池的寿命会越来越长，性价比会越来越高，用锂电池替代铅酸电池是个必然趋势。

蓄电池用量可用下式计算：

BC =C×IL×H×D

式中：C =1.2~1.5，环境影响因素，环境温度低于零下10°时取下限;IL—所有负载工作时的总电流/安培;H—每天日工作时间/小时;D—使用地区最长连续阴雨天数/天。

3.3 光伏系统自动控制器

光伏系统自动控制器主要有以下四方面的作用：一是按要求给出稳定的电压或电流;二是蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路;三是蓄电池组出现故障时，可以自动接通备用蓄电池组;四是负载发生短路时可以自动切断电源电路。

本控制器采用STCl2C5410AD单片机来控制太阳能电池对蓄电池的充电以及蓄电池对负载的放电过程，实现对蓄电池的科学管理，指示蓄电池过压、欠压等运行状态，具有两路负载输出，每路负载额定电流可达5 A，两路负载可以随意设置为同时点亮、分时点亮以及单独定时等工作模式，同时具有负载过流、短路保护功能，具有较高的自动化和智能化水平。其硬件结构如图2所示。其外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口，用于工作模式等参数的设置。

图2 控制器硬件结构框图

STCl2C5410AD是STCl2系列单片机，采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10 KB Flash程序存储器，2 KB Flash数据存储器，512 B RAM数据存储器。同时内部还有看门狗(WDT);片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道：PWM;具有可编程的8级中断源4种优先级，具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)，片内资源丰富、集成度高、使用方便。

本控制器利用微控制器的PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路。控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压(28 V)时，自动关断对蓄电池的充电;此后当电压掉至维护电压(26V)时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压(26 V)后浮充关闭，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(22 V)时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路(智能三阶段充电)，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。

本控制器的软件设计与硬件电路相对应，包括有主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程以Keil C编译器的Windows集成开发环境μvision2作为开发平台，采用C51高级语言编写。电压检测子程序的流程图如图3所示。

图3 电压检测子程序的流程图

电压检测子程序如下：

INT8U ADC(INT8U number)using 2

(number=number&0x07;//通道号不超过7

ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xe0; //清 ADC_FLAG、ad不启动

ADC_CONTR = ADC_CONTRlnumber;//选择通道

ADC_CONTR = ADC_CONTR0x08;//启动A/D转换

While((ADC_CONTR&0x10)! =0x10); //等待A/D转换结束

Return(ADC_DATD);//结果返回

外部0中断响应子程序如下：

Void Service_INT0() interrupt 0 using 1

{ if(P3_2) //高电平，认为是干扰信号触发中断

return;

delay1(5000);//10ms延时

if(P3_2==0)

{load_switch+1=LSTOP;//负载开关1关

LOOP1_DL=1;//置负载短路标志

}

}

3.4 折叠式支架

系统使太阳能电池方阵能够牢固地安装在一个支架上，白天利用太阳能电池板给蓄电池充电，晚上利用蓄电池为负载提供电源。其中，电池方阵的支架是关键，支架采用钢材制作，角度可调，设计的难点是如何选取副支架在主支架上的支点，既要满足重心稳定，支架不会翻倒，又要考虑美观实用.通过作图注意到组装后支架的整体重心位置要在等腰三角形以内，而且重心越低支架就越稳定。满足这个条件就可以找到这个支点的位置，根据几何知识可知这个支点的位置应在主支架的黄金分割点上，故取主支架的黄金分割点作为支点位置，这样既满足要求，又美观实用。结构示意图如图4所示。

图4 系统支架结构原理示意图

4　结　语

经过测试及试用，所设计的便携式太阳能光伏发电系统各项指标均符合设计要求，可不受时间、地点、气候等因素的影响，向用户提供稳定、可靠的电源，可配用手提灯、收音机、草坪灯、卫星天线接收器、移动DVD等常用设备。可满足小规模野外科学考察、探险旅游或游牧蒙古包家庭的基本用电需要，系统支架可以调节合理角度，使光伏电池组件得到最合理的仰角，与地面的角度范围可在15°~75°之间方便地调节，使其受到的光照最强，产生的光伏作用最强，得到最大发电效率。这一产品具有较好的产业化前景，一旦实现规模化生产将产生良好的经济和社会效益。