便攜式光伏發電實訓教學設備的研發與應用

酒泉職業技術學院 王莉

1 引言

為了對太陽能電池組件和陣列進行有效測試，利用自然光源開展便攜式太陽能光伏發電實訓教學設備研究，促進先進教學設備的研發和創新。便攜式光伏發電設備的模擬測試準確度和穩定性較強，可以對太陽能的相關技術理論進行深入分析，為光伏發電演示和應用試驗等提供可靠的教學平臺，為推動光伏發電相關理論和技術的進一步完善與成熟奠定基礎。

2 太陽能光伏發電平臺概述

2.1 太陽能光伏發電平臺組成

太陽能光伏發電平臺主要包括太陽能電池組件、太陽能自動跟蹤系統、環境監測系統、太陽能測試系統、實訓操作系統及蓄電池組件等。利用太陽能自動跟蹤系統可以對電池組件進行控制，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實現蓄電池組件充電，利用逆變器對太陽能電池板提供的電能進行轉化，并將其輸送到負載單元組件[1]。

太陽能光伏發電平臺可以利用太陽能測試系統對太陽能電池組件的特性參數進行全面監測，發揮環境監測系統的功能，掌握太陽能電池組件的運行情況及環境因素對太陽能電池組件特性產生的具體影響。在便攜式光伏發電實訓教學設備研發和應用過程中，需要對太陽能光伏發電平臺進行科學運用，確保太陽能光伏發電平臺能夠充分發揮作用。

2.2 便攜式光伏發電實訓教學設備創新點

一是主機系統可以利用光強和時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的開放性較強，電機執行機構以及光敏傳感器接口方便學生進行連接，從而掌握實訓操作的具體方法。三是平臺的發展和研發增加了太陽能電池板的環境監控工作，驗證了實訓教學設備的用電性能參數。此外，太陽能光伏發電平臺還可以完成環境溫度、濕度數據采樣，更接近實際工業級運用過程中的太陽能電池板使用狀況，對提高光伏發電實訓教學設備的應用效果具有積極作用[2]。四是利用多塊工業級太陽能電池板可以完成并聯和串聯組合連接，對光伏發電系統的太陽能電池板系統進行模擬組建，方便學生根據該系統更準確深入地掌握太陽能電池板的實際情況。五是太陽能跟蹤器系統利用機械手的活動柜式控制器，通過托盤形式進行設計，完成基本特性測試和環境測試的顯示功能。六是將太陽能電池板控制器、逆變器、蓄電池組合操作，形成太陽能光伏發電系統。借助逆變器將太陽能轉變成220V市電，驅動試驗室交流或直流負載，完成不同應用負載試驗。

3 便攜式光伏發電實訓教學設備的研發要點

對便攜式光伏發電實訓教學設備進行研發時，需要根據太陽能電池組件伏安特性開展測試工作，并對光伏發電實訓教學的實際需求進行科學把握，保證便攜式光伏發電實訓教學設備充分發揮作用。在具體的研發過程中，需要確保便攜式光伏發電實訓教學設備能夠對太陽能電站的整體設計以及運行情況進行科學模擬，直觀展示光伏發電設備在運行過程中的具體原理和使用的關鍵技術，保障設備可以滿足教學需求。實訓教學設備可以開展環境溫度、濕度、電池板溫度、輻照度檢測等多項功能，能夠對在教學過程中的各項操作要點科學全面模擬。利用便攜式形式開展設計，需要其具有防塵、防濺水功能，并適合在實訓教學操作中應用[3-4]。光伏發電實訓教學設備的試驗內容如表1所示。

3.1 太陽能電池板設計

在本次便攜式光伏發電實訓教學設備研究過程中，太陽能電池板利用組裝形式進行設計，4 塊小型太陽能電池板可以滿足教學實訓設備的用電需求，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方式。太陽能電池板的設計參數如表2所示。

3.2 自動跟蹤單元設計

本次教學實訓設備的自動跟蹤單元設計以雙軸全自動跟蹤方式為主，精度可以達到±0.5°?；剞D角度和俯仰角度分別為360°、180°，控制器的供電為DC 12V 蓄電池；電機供電電源為DC 12V，AC-DC電源模塊。

3.2.1 照度計設計

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

3.2.2 儀表設計

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 光伏發電實訓教學設備試驗內容

表2 光伏發電系統太陽能電池板設計參數

3.2.3 蓄電池容量設計

蓄電池容量為55Ah、電壓為12V。環境監測模塊設計需要照度計、溫度表、濕度表及單片機時鐘系統。

3.2.4 工控一體機設計

在便攜式光伏發電實訓教學設備設計時，工控一體機設計是其中的關鍵環節。工控一體機需要帶有觸摸功能，方便學生進行操作。工控一體機的CPU 為Intel 1037U 1.8GHz 22nm；雙核處理器為TDP 17W超低功耗處理器。本試驗工控一體機主板設計為Intel M11 工控固態節能主板；內存達到1G DDR3 1333超高速內存，可以實現1333/1066MHz內存，并支持8GB擴展。硬盤設計為24G SSD固態硬盤；顯卡為集成Intel HD Graphics 核心顯卡，可以實現VGA、LVDS、雙HDMI顯示輸出，其中LVDS可以完成雙通道24bit，并支持獨顯、雙顯復制和雙顯擴展。聲卡的設計參數為集成聲道高保真音頻控制器；網卡的設計參數為一個RTL 千兆網卡，可以實現網絡喚醒、PXE 功能；電源設計為外置電源，主要以100V～220V 寬幅電壓為主，可以實現全球范圍的使用。

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定，靈敏性較強，可以滿足在教學實訓操作過程中的各項操作需求。整機接口為4 個USB 2.0 接口，其中，兩個接口支持USB 3.0 接口，但是需要進行訂制。該系統的運行狀態主要是以太陽能控制器為主，該控制器帶有報警功能，輸入的電壓、電流、功率數據可以展現出動態曲線；輸出電壓、電流、功率數據也可以完成動態曲線顯示。

3.2.5 太陽能離網發電模塊設計

在該模塊設計過程中，需要對波形類別進行科學設計，輸入電壓為DC9.7～14.4V，輸出電壓為AC 220V，允許波動值為±5%；欠壓保護為9.6±0.2V，過壓保護為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 太陽能并網發電模塊設計

實訓教學設備設計中包含DC-DC和DC-AC兩級能量變換結構。系統面板設計需要對DC-AC 參數進行測量，設計多個測試端口，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，實現波形對比。

4 太陽能控制器研發

（1）太陽能控制器具有過充、過放、電子短路以及獨特的防反接保護、過載保護等各種全自動控制功能，可以利用串聯式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%，能夠增加用電時間。過放恢復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的整體使用壽命，具有高精度溫度補償功能。（2）欠壓電壓設計值為12.0V×2/24V；超壓保護值為117V×2/24V；過載、短路保護為1.25 倍額定電流60s，1.5 倍額定電流5s 時，會開展過載保護動作，超過3 倍額定電流會出現短路保護動作?？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脈寬調制控制器，主要功能是對太陽能電池板的工作狀態進行全面監測，準確掌握蓄電池過充、過放、充電等具體狀態，展示蓄電池的電量情況。輸出模式設置過程中主要包含光控、時控和普通控制方式，實現蓄電池充電電流、電壓監測工作。

5 結語

便攜式光伏發電實訓教學平臺設計過程中，需要從科學研究需求和教學目標等不同角度出發，利用模塊化設計原則實現系統化的教學實訓設備設計。在設計時，需要從不同技術參數出發對研發要點進行科學把握。同時，確保便攜式光伏發電教學實訓平臺能夠使學生快速了解太陽能光伏應用的原理及具體的操作方法，為提升太陽能發電技術提供有利條件。