CN203395790U

CN203395790U - 基于mppt控制的新型仿生学装置

Info

Publication number: CN203395790U
Application number: CN201320279433.6U
Authority: CN
Inventors: 夏绍燕; 陈庆东; 王俊平; 屈文亭; 刘华; 秦利娟
Original assignee: Binzhou University
Current assignee: Binzhou University
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2023-05-21

Abstract

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，包括树状支架、太阳能电池板、MPPT控制器以及蓄电池；特征在于：树状支架包括树干和树枝，树枝在树干上分层设置，由上至下每层树枝的长度依次增加；太阳能电池板固定于树枝上，形成输出电能的太阳能电池板组；太阳能电池板组在MPPT的控制下可对铅酸电池充电，逆变器的输出端连接有照明灯和灯箱，所述照明灯设置于树干的顶端。本实用新型的仿生学装置，通过将太阳能电池板排布在树状支架上，有效提高了太阳能的利用率；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。同时还具有节能环保、经济实惠等优点，具有广阔的应用价值。

Description

基于MPPT控制的新型仿生学装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于MPPT控制的新型仿生学装置，更具体的说，尤其涉及一种可有效提高太阳能利用率的基于MPPT控制的新型仿生学装置。

背景技术

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。

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，不能实现对太阳能的充分利用。

发明内容

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种有效提高太阳能利用率的基于MPPT控制的新型仿生学装置。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，包括树状支架、太阳能电池板、MPPT控制器以及蓄电池；其特别之处在于：所述树状支架包括树干和固定于树干上的树枝，树枝在树干上分层设置，每一层上的树枝数目为多个，由上至下每层树枝的长度依次增加；所述太阳能电池板固定于树枝上，形成输出电能的太阳能电池板组；太阳能电池板组在MPPT的控制下可对铅酸电池充电，太阳能电池板组、铅酸电池在MPPT的控制下可输出至直流负载接口以及经逆变器进行逆变，逆变器的输出端连接有照明灯和灯箱，所述照明灯设置于树干的顶端。

树状支架由树干和树枝组成，以便实现对太阳能电池板组的固定和支撑作用。由上到下每层树枝的长度依次增加，有利于实现太阳能电池板的均匀分布，利于最大限度地接收太阳能。在MPPT的控制作用下，有利于实现太阳能电池组的最大功率输出，有效地提高了太阳能的转化效率。铅酸电池实现对电能的暂存作用，在MPPT的控制下，太阳能转化的电能可供直流负载接口、照明灯和灯箱输出。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，所述树干的底端固定有底座；树干和树枝的内部为相互连通的用于布线的空腔。底座实现对树状支架的支撑作用，以保证其稳定性。将树干和树枝的内部设置为空腔，有利于导线的布设。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，所述树枝的层数为5层，每层上树枝的数目为4个，每层树枝的长度相等且两两垂直；树枝与树干的夹角为45°，每个树枝上设置的太阳能电池板的数目为3个，太阳能电池板固定于树枝的上部。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，每层上四个树枝的朝向分别为东、南、西、北，位于不同方位的太阳能电池板串联形成一组输出。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，所述树状支架的材料为PPR。PPR材料具有健康环保、耐高温、耐压性能好、输送阻力小、价格便、使用寿命长的优点，适于采用。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，通过仿生学原理来制作树状支架，将太阳能电池板排布在树枝的四周，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。太阳能转化的电能，不经可经直流负载接口对外部设备进行供电，而且还经逆变器转化之后对照明灯进行供电，使其不仅具有一般路灯的功能，同时还具有节能环保、经济实惠等优点，具有广阔的应用价值。

附图说明

图1为本实用新型的仿生学装置的结构示意图；

图2为本实用新型中树状支架的俯视图；

图3为本实用新型中电路部分的原理图；

图4为同一层树枝上太阳能电池板的分布示意图；

图5为太阳能电池板组的电压、电流和功率随时间变化曲线图。

图中：1树干，2树枝，3太阳能电池板，4照明灯，5直流负载接口，6灯箱，7灯箱光源，8底座，9空腔，10 MPPT控制器，11太阳能电池板组，12蓄电池，13逆变器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，给出了实用新型的仿生学装置的结构示意图，其包括树干1、树枝2、太阳能电池板3、照明灯4、直流负载接口5、灯箱6、灯箱光源7、底座8、空腔9；树枝2固定于树干1上，形成树状支架。树枝2在树干1上分层设置，由上至下每层上树枝2的长度依次增加；太阳能电池板3固定于每根树枝2的上部，以便太阳光可均匀地照射于每个太阳能电池板3上，最大限度地实现对太阳能的利用。照明灯4设置于树干1的顶部，底座8位于树干1的底部，实现对整个树状支架的支撑作用。树干1的内部为空腔9，如图2所示；树枝2的内部也为空腔，树干1与树枝2的内部空腔均相连通，以便于布线。

树干1和树枝2均采用PPR管，其不但经济，而且质量轻，同时还具有卫生健康环保、耐高温、耐压性能好、输送阻力小、价格便宜适中、使用寿命长的优点。如图1和图2所示，树枝2的层数设置为5层，每层上设置的树枝2数目为4个，同一层上的树枝2的长度相等，由上至下每层上的树枝2长度依次增加，从上往下可以采用依次成等差数列的形式，第一层支架20cm,第二层支架30cm， ……，第五层支架60cm。这样总体接受太阳光的面积得到很大的提高，继而提高太阳能电池板的采光面积，大大提高了太阳能的利用率。

如图4所示，给出了同一层树枝上太阳能电池板的分布示意图，蓄电池12可以采用12V的直流电源输入输出，太阳能电池板3的规格可以采用：80mm*60mm*3mm，电压：5.5V,电流：130mA。考虑到蓄电池是12V，因此需要将三块太阳能电池板3串联在一起，形成太阳能电池板组11，然后将其并联在同一端。如果在一个树枝2上放三块太阳能电池板3，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3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，本作品采用如下办法解决此问题：如图4所示，将朝向北、西、南、东方向树枝2上的太阳能电池板3分为标记为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，需要将位于不同朝向的树枝2上的太阳能电池板3串联在一起，因此需要将标号为1、4、7，2、6、10，3、8、12，5、9、11的太阳能电池板3串联在一起。

另外太阳能电池板3采集太阳光会受到其放置的位置的影响，所以需要考虑到太阳能电池板3放在树枝2上的倾斜角度，而倾斜角的选取可以参考表1：

表1 纬度和太阳能电池板板倾角的关系

如果地理位置是北纬37.22 东经118.02，可以选取倾角为45°。

如图3所示，给出了本实用新型的电路部分的原理图，其包括MPPT控制器10、太阳能电池板组11、铅酸电池12和逆变器13，所示的太阳能电池板组11在MPPT控制器10的控制下，不仅实现太阳电池板组11对铅酸电池12的充电作用，而且还可实现对直流负载接口5的供电作用，以及将直流电送至逆变器13进行逆变。经逆变器13逆变后的交流电可供照明灯4和灯箱6利用。灯箱6中设置有灯箱光源7，灯箱光源7可采用欧普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。照明灯4可采用电子节能灯，其具有发光效率高，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，我们采用8W的电子节能灯作为照明灯，供应照明。

蓄电池12可以采用铅酸电池，其具有自放电流要小，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。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。

理论计算，设灯箱6里面设置两只欧普T4支架白光的功率为24W，照明灯为8W，再加上灯带可视为36W，12V的蓄电池为维持灯箱、照明灯、灯带发光而需要提供的电流为

设定灯箱6、照明灯4一天工作5个小时（20:00开启，夜00:00关闭，凌晨4:30开启，凌晨5:30关闭），因此蓄电池具有5h的供电能力，则蓄电池12的容量为

另外为了防止蓄电池12过充和过放，蓄电池12一般充电到90%左右；放电余留20%左右，因此，选用12V/20Ah的铅酸蓄电池。有日照时，要求太阳能电池给灯箱、照明灯、灯带供电、同时给蓄电池充电。如应用地区的一年四季平均每天的有效日照时间为7h计算，即蓄电池每天充满电为7h，则充电电流为：

MPPT控制器10本控制器采用微电脑（CPU）控制技术，白天调节太阳能电池板组11的工作电压，使其始终工作在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4，给定照明灯4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。MPPT控制器10还负责蓄电池的充、放电管理：当蓄电池12电压低时，自动关闭照明灯4，以保护蓄电池12；当蓄电12池充满时，自动进入PWM浮充状态；当天黑时，关闭充电回路，避免蓄电池12通过太阳能电池板放电。从而大幅延长蓄电池12的使用寿命。

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%；根据测试的上午、下午的太阳能电池板的输出电压、电流的数据，绘制出的电压、电流和功率随时间变化曲线图如图5所示，其输出功率总体趋于一致，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。总的来说，高效的利用了太阳能，体现了“节能减排”主题。。

本实用新型的基于MPPT控制的新型仿生学装置，外形美观、使用，材料经济实惠；由于树灯主干及支架是使用的PPR管，另外，在树的底部使用地盘，因此，树灯的抗风性较强，不易受风的影响。

Claims

1.一种基于MPPT控制的新型仿生学装置，包括树状支架、太阳能电池板（3）、MPPT控制器（10）以及蓄电池（12）；其特征在于：所述树状支架包括树干（1）和固定于树干上的树枝（2），树枝在树干上分层设置，每一层上的树枝数目为多个，由上至下每层树枝的长度依次增加；所述太阳能电池板固定于树枝上，形成输出电能的太阳能电池板组（11）；太阳能电池板组在MPPT的控制下可对铅酸电池充电，太阳能电池板组、铅酸电池在MPPT的控制下可输出至直流负载接口（5）以及经逆变器（13）进行逆变，逆变器的输出端连接有照明灯（4）和灯箱（6），所述照明灯设置于树干（1）的顶端。

2.根据权利要求1所述的基于MPPT控制的新型仿生学装置，其特征在于：所述树干（1）的底端固定有底座（8）；树干和树枝（2）的内部为相互连通的用于布线的空腔。

3.根据权利要求1或2所述的基于MPPT控制的新型仿生学装置，其特征在于：所述树枝（2）的层数为5层，每层上树枝的数目为4个，每层树枝的长度相等且两两垂直；树枝与树干的夹角为45°，每个树枝上设置的太阳能电池板（3）的数目为3个，太阳能电池板固定于树枝的上部。

4.根据权利要求3所述的基于MPPT控制的新型仿生学装置，其特征在于：每层上四个树枝（2）的朝向分别为东、南、西、北，位于不同方位的3个太阳能电池板（3）串联形成一组输出。

5.根据权利要求3所述的基于MPPT控制的新型仿生学装置，其特征在于：所述树状支架的材料为PPR。