酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王莉

1 引言

為了對太陽能電池組件和陣列進(jìn)行有效測試，利用自然光源開展便攜式太陽能光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備研究，促進(jìn)先進(jìn)教學(xué)設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新。便攜式光伏發(fā)電設(shè)備的模擬測試準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以對太陽能的相關(guān)技術(shù)理論進(jìn)行深入分析，為光伏發(fā)電演示和應(yīng)用試驗(yàn)等提供可靠的教學(xué)平臺，為推動光伏發(fā)電相關(guān)理論和技術(shù)的進(jìn)一步完善與成熟奠定基礎(chǔ)。

2 太陽能光伏發(fā)電平臺概述

2.1 太陽能光伏發(fā)電平臺組成

太陽能光伏發(fā)電平臺主要包括太陽能電池組件、太陽能自動跟蹤系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、太陽能測試系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)及蓄電池組件等。利用太陽能自動跟蹤系統(tǒng)可以對電池組件進(jìn)行控制，確保太陽能電池組件能夠與太陽光線垂直，使太陽能電池組件最大限度地接受太陽能。太陽能電池利用控制器可以在光線充足時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池組件充電，利用逆變器對太陽能電池板提供的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并將其輸送到負(fù)載單元組件[1]。

太陽能光伏發(fā)電平臺可以利用太陽能測試系統(tǒng)對太陽能電池組件的特性參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測，發(fā)揮環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能，掌握太陽能電池組件的運(yùn)行情況及環(huán)境因素對太陽能電池組件特性產(chǎn)生的具體影響。在便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用過程中，需要對太陽能光伏發(fā)電平臺進(jìn)行科學(xué)運(yùn)用，確保太陽能光伏發(fā)電平臺能夠充分發(fā)揮作用。

2.2 便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)

一是主機(jī)系統(tǒng)可以利用光強(qiáng)和時(shí)間兩種方式控制太陽能電池板自動跟蹤太陽。二是太陽能跟蹤系統(tǒng)的開放性較強(qiáng)，電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及光敏傳感器接口方便學(xué)生進(jìn)行連接，從而掌握實(shí)訓(xùn)操作的具體方法。三是平臺的發(fā)展和研發(fā)增加了太陽能電池板的環(huán)境監(jiān)控工作，驗(yàn)證了實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的用電性能參數(shù)。此外，太陽能光伏發(fā)電平臺還可以完成環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)采樣，更接近實(shí)際工業(yè)級運(yùn)用過程中的太陽能電池板使用狀況，對提高光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用效果具有積極作用[2]。四是利用多塊工業(yè)級太陽能電池板可以完成并聯(lián)和串聯(lián)組合連接，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板系統(tǒng)進(jìn)行模擬組建，方便學(xué)生根據(jù)該系統(tǒng)更準(zhǔn)確深入地掌握太陽能電池板的實(shí)際情況。五是太陽能跟蹤器系統(tǒng)利用機(jī)械手的活動柜式控制器，通過托盤形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成基本特性測試和環(huán)境測試的顯示功能。六是將太陽能電池板控制器、逆變器、蓄電池組合操作，形成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。借助逆變器將太陽能轉(zhuǎn)變成220V市電，驅(qū)動試驗(yàn)室交流或直流負(fù)載，完成不同應(yīng)用負(fù)載試驗(yàn)。

3 便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的研發(fā)要點(diǎn)

對便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)時(shí)，需要根據(jù)太陽能電池組件伏安特性開展測試工作，并對光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)際需求進(jìn)行科學(xué)把握，保證便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備充分發(fā)揮作用。在具體的研發(fā)過程中，需要確保便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備能夠?qū)μ柲茈娬镜恼w設(shè)計(jì)以及運(yùn)行情況進(jìn)行科學(xué)模擬，直觀展示光伏發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行過程中的具體原理和使用的關(guān)鍵技術(shù)，保障設(shè)備可以滿足教學(xué)需求。實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備可以開展環(huán)境溫度、濕度、電池板溫度、輻照度檢測等多項(xiàng)功能，能夠?qū)υ诮虒W(xué)過程中的各項(xiàng)操作要點(diǎn)科學(xué)全面模擬。利用便攜式形式開展設(shè)計(jì)，需要其具有防塵、防濺水功能，并適合在實(shí)訓(xùn)教學(xué)操作中應(yīng)用[3-4]。光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

3.1 太陽能電池板設(shè)計(jì)

在本次便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備研究過程中，太陽能電池板利用組裝形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，4 塊小型太陽能電池板可以滿足教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的用電需求，并完成太陽能電池板并接和串接方式，可以提供大功率大電流和大電壓兩種太陽能電池板組網(wǎng)方式。太陽能電池板的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

3.2 自動跟蹤單元設(shè)計(jì)

本次教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的自動跟蹤單元設(shè)計(jì)以雙軸全自動跟蹤方式為主，精度可以達(dá)到±0.5°?；剞D(zhuǎn)角度和俯仰角度分別為360°、180°，控制器的供電為DC 12V 蓄電池；電機(jī)供電電源為DC 12V，AC-DC電源模塊。

3.2.1 照度計(jì)設(shè)計(jì)

在量程使用過程中，照度計(jì)可以自動切換，主要切換包括：0～225Lx、200～2250Lx、2000～22500Lx和20～225kLx（225000Lx）。

3.2.2 儀表設(shè)計(jì)

儀表主要包含電壓表、電流表、溫度表以及濕度表。其中，直流電壓表2只，數(shù)值范圍為0～200V，直流電流表2只，電流為2A；交流電壓表1只，數(shù)值范圍為0～500V，交流電流表1只，電流為5A；溫度的測量范圍為-50～70℃，濕度的測量范圍為20%～90%。

表1 光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備試驗(yàn)內(nèi)容

表2 光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能電池板設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.3 蓄電池容量設(shè)計(jì)

蓄電池容量為55Ah、電壓為12V。環(huán)境監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)需要照度計(jì)、溫度表、濕度表及單片機(jī)時(shí)鐘系統(tǒng)。

3.2.4 工控一體機(jī)設(shè)計(jì)

在便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，工控一體機(jī)設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工控一體機(jī)需要帶有觸摸功能，方便學(xué)生進(jìn)行操作。工控一體機(jī)的CPU 為Intel 1037U 1.8GHz 22nm；雙核處理器為TDP 17W超低功耗處理器。本試驗(yàn)工控一體機(jī)主板設(shè)計(jì)為Intel M11 工控固態(tài)節(jié)能主板；內(nèi)存達(dá)到1G DDR3 1333超高速內(nèi)存，可以實(shí)現(xiàn)1333/1066MHz內(nèi)存，并支持8GB擴(kuò)展。硬盤設(shè)計(jì)為24G SSD固態(tài)硬盤；顯卡為集成Intel HD Graphics 核心顯卡，可以實(shí)現(xiàn)VGA、LVDS、雙HDMI顯示輸出，其中LVDS可以完成雙通道24bit，并支持獨(dú)顯、雙顯復(fù)制和雙顯擴(kuò)展。聲卡的設(shè)計(jì)參數(shù)為集成聲道高保真音頻控制器；網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)參數(shù)為一個(gè)RTL 千兆網(wǎng)卡，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)喚醒、PXE 功能；電源設(shè)計(jì)為外置電源，主要以100V～220V 寬幅電壓為主，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的使用。

顯示屏為13 寸LED 工控屏，分辨率為1024×600。觸摸屏的透光率比較高，并且屏幕的整體性能比較穩(wěn)定，靈敏性較強(qiáng)，可以滿足在教學(xué)實(shí)訓(xùn)操作過程中的各項(xiàng)操作需求。整機(jī)接口為4 個(gè)USB 2.0 接口，其中，兩個(gè)接口支持USB 3.0 接口，但是需要進(jìn)行訂制。該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)主要是以太陽能控制器為主，該控制器帶有報(bào)警功能，輸入的電壓、電流、功率數(shù)據(jù)可以展現(xiàn)出動態(tài)曲線；輸出電壓、電流、功率數(shù)據(jù)也可以完成動態(tài)曲線顯示。

3.2.5 太陽能離網(wǎng)發(fā)電模塊設(shè)計(jì)

在該模塊設(shè)計(jì)過程中，需要對波形類別進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，輸入電壓為DC9.7～14.4V，輸出電壓為AC 220V，允許波動值為±5%；欠壓保護(hù)為9.6±0.2V，過壓保護(hù)為14.4±0.2V；輸出功率為100W，峰值功率為300W；輸出的波形以正弦波為主。

3.2.6 太陽能并網(wǎng)發(fā)電模塊設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)中包含DC-DC和DC-AC兩級能量變換結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)需要對DC-AC 參數(shù)進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)多個(gè)測試端口，完成DC-DC 電壓、電流變化以及DC-AC 逆變過程中的電壓、電流、曲線變化，實(shí)現(xiàn)波形對比。

4 太陽能控制器研發(fā)

（1）太陽能控制器具有過充、過放、電子短路以及獨(dú)特的防反接保護(hù)、過載保護(hù)等各種全自動控制功能，可以利用串聯(lián)式PWM 充電主電路，確保充電回路電壓損失顯著降低。太陽能控制器的充電效率比非PWM 高約3%～6%，能夠增加用電時(shí)間。過放恢復(fù)功能能夠提高充電效率，開展正常直充。浮充自動控制方式能夠延長系統(tǒng)的整體使用壽命，具有高精度溫度補(bǔ)償功能。（2）欠壓電壓設(shè)計(jì)值為12.0V×2/24V；超壓保護(hù)值為117V×2/24V；過載、短路保護(hù)為1.25 倍額定電流60s，1.5 倍額定電流5s 時(shí)，會開展過載保護(hù)動作，超過3 倍額定電流會出現(xiàn)短路保護(hù)動作?？傤~定充電電流為10A；浮充為13.6V×2/24V，可以一直降到充電返回電壓動作。（3）太陽能控制器的控制方式為無充電PWM脈寬調(diào)制控制器，主要功能是對太陽能電池板的工作狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握蓄電池過充、過放、充電等具體狀態(tài)，展示蓄電池的電量情況。輸出模式設(shè)置過程中主要包含光控、時(shí)控和普通控制方式，實(shí)現(xiàn)蓄電池充電電流、電壓監(jiān)測工作。

5 結(jié)語

便攜式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)過程中，需要從科學(xué)研究需求和教學(xué)目標(biāo)等不同角度出發(fā)，利用模塊化設(shè)計(jì)原則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要從不同技術(shù)參數(shù)出發(fā)對研發(fā)要點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)把握。同時(shí)，確保便攜式光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺能夠使學(xué)生快速了解太陽能光伏應(yīng)用的原理及具體的操作方法，為提升太陽能發(fā)電技術(shù)提供有利條件。