便携式光伏发电实训教学设备的研发与应用

酒泉职业技术学院 王莉

1 引言

为了对太阳能电池组件和阵列进行有效测试，利用自然光源开展便携式太阳能光伏发电实训教学设备研究，促进先进教学设备的研发和创新。便携式光伏发电设备的模拟测试准确度和稳定性较强，可以对太阳能的相关技术理论进行深入分析，为光伏发电演示和应用试验等提供可靠的教学平台，为推动光伏发电相关理论和技术的进一步完善与成熟奠定基础。

2 太阳能光伏发电平台概述

2.1 太阳能光伏发电平台组成

太阳能光伏发电平台主要包括太阳能电池组件、太阳能自动跟踪系统、环境监测系统、太阳能测试系统、实训操作系统及蓄电池组件等。利用太阳能自动跟踪系统可以对电池组件进行控制，确保太阳能电池组件能够与太阳光线垂直，使太阳能电池组件最大限度地接受太阳能。太阳能电池利用控制器可以在光线充足时实现蓄电池组件充电，利用逆变器对太阳能电池板提供的电能进行转化，并将其输送到负载单元组件[1]。

太阳能光伏发电平台可以利用太阳能测试系统对太阳能电池组件的特性参数进行全面监测，发挥环境监测系统的功能，掌握太阳能电池组件的运行情况及环境因素对太阳能电池组件特性产生的具体影响。在便携式光伏发电实训教学设备研发和应用过程中，需要对太阳能光伏发电平台进行科学运用，确保太阳能光伏发电平台能够充分发挥作用。

2.2 便携式光伏发电实训教学设备创新点

一是主机系统可以利用光强和时间两种方式控制太阳能电池板自动跟踪太阳。二是太阳能跟踪系统的开放性较强，电机执行机构以及光敏传感器接口方便学生进行连接，从而掌握实训操作的具体方法。三是平台的发展和研发增加了太阳能电池板的环境监控工作，验证了实训教学设备的用电性能参数。此外，太阳能光伏发电平台还可以完成环境温度、湿度数据采样，更接近实际工业级运用过程中的太阳能电池板使用状况，对提高光伏发电实训教学设备的应用效果具有积极作用[2]。四是利用多块工业级太阳能电池板可以完成并联和串联组合连接，对光伏发电系统的太阳能电池板系统进行模拟组建，方便学生根据该系统更准确深入地掌握太阳能电池板的实际情况。五是太阳能跟踪器系统利用机械手的活动柜式控制器，通过托盘形式进行设计，完成基本特性测试和环境测试的显示功能。六是将太阳能电池板控制器、逆变器、蓄电池组合操作，形成太阳能光伏发电系统。借助逆变器将太阳能转变成220V市电，驱动试验室交流或直流负载，完成不同应用负载试验。

3 便携式光伏发电实训教学设备的研发要点

对便携式光伏发电实训教学设备进行研发时，需要根据太阳能电池组件伏安特性开展测试工作，并对光伏发电实训教学的实际需求进行科学把握，保证便携式光伏发电实训教学设备充分发挥作用。在具体的研发过程中，需要确保便携式光伏发电实训教学设备能够对太阳能电站的整体设计以及运行情况进行科学模拟，直观展示光伏发电设备在运行过程中的具体原理和使用的关键技术，保障设备可以满足教学需求。实训教学设备可以开展环境温度、湿度、电池板温度、辐照度检测等多项功能，能够对在教学过程中的各项操作要点科学全面模拟。利用便携式形式开展设计，需要其具有防尘、防溅水功能，并适合在实训教学操作中应用[3-4]。光伏发电实训教学设备的试验内容如表1所示。

3.1 太阳能电池板设计

在本次便携式光伏发电实训教学设备研究过程中，太阳能电池板利用组装形式进行设计，4 块小型太阳能电池板可以满足教学实训设备的用电需求，并完成太阳能电池板并接和串接方式，可以提供大功率大电流和大电压两种太阳能电池板组网方式。太阳能电池板的设计参数如表2所示。

3.2 自动跟踪单元设计

本次教学实训设备的自动跟踪单元设计以双轴全自动跟踪方式为主，精度可以达到±0.5°。回转角度和俯仰角度分别为360°、180°，控制器的供电为DC 12V 蓄电池；电机供电电源为DC 12V，AC-DC电源模块。

3.2.1 照度计设计

在量程使用过程中，照度计可以自动切换，主要切换包括：0～225Lx、200～2250Lx、2000～22500Lx和20～225kLx（225000Lx）。

3.2.2 仪表设计

仪表主要包含电压表、电流表、温度表以及湿度表。其中，直流电压表2只，数值范围为0～200V，直流电流表2只，电流为2A；交流电压表1只，数值范围为0～500V，交流电流表1只，电流为5A；温度的测量范围为-50～70℃，湿度的测量范围为20%～90%。

表1 光伏发电实训教学设备试验内容

表2 光伏发电系统太阳能电池板设计参数

3.2.3 蓄电池容量设计

蓄电池容量为55Ah、电压为12V。环境监测模块设计需要照度计、温度表、湿度表及单片机时钟系统。

3.2.4 工控一体机设计

在便携式光伏发电实训教学设备设计时，工控一体机设计是其中的关键环节。工控一体机需要带有触摸功能，方便学生进行操作。工控一体机的CPU 为Intel 1037U 1.8GHz 22nm；双核处理器为TDP 17W超低功耗处理器。本试验工控一体机主板设计为Intel M11 工控固态节能主板；内存达到1G DDR3 1333超高速内存，可以实现1333/1066MHz内存，并支持8GB扩展。硬盘设计为24G SSD固态硬盘；显卡为集成Intel HD Graphics 核心显卡，可以实现VGA、LVDS、双HDMI显示输出，其中LVDS可以完成双通道24bit，并支持独显、双显复制和双显扩展。声卡的设计参数为集成声道高保真音频控制器；网卡的设计参数为一个RTL 千兆网卡，可以实现网络唤醒、PXE 功能；电源设计为外置电源，主要以100V～220V 宽幅电压为主，可以实现全球范围的使用。

显示屏为13 寸LED 工控屏，分辨率为1024×600。触摸屏的透光率比较高，并且屏幕的整体性能比较稳定，灵敏性较强，可以满足在教学实训操作过程中的各项操作需求。整机接口为4 个USB 2.0 接口，其中，两个接口支持USB 3.0 接口，但是需要进行订制。该系统的运行状态主要是以太阳能控制器为主，该控制器带有报警功能，输入的电压、电流、功率数据可以展现出动态曲线；输出电压、电流、功率数据也可以完成动态曲线显示。

3.2.5 太阳能离网发电模块设计

在该模块设计过程中，需要对波形类别进行科学设计，输入电压为DC9.7～14.4V，输出电压为AC 220V，允许波动值为±5%；欠压保护为9.6±0.2V，过压保护为14.4±0.2V；输出功率为100W，峰值功率为300W；输出的波形以正弦波为主。

3.2.6 太阳能并网发电模块设计

实训教学设备设计中包含DC-DC和DC-AC两级能量变换结构。系统面板设计需要对DC-AC 参数进行测量，设计多个测试端口，完成DC-DC 电压、电流变化以及DC-AC 逆变过程中的电压、电流、曲线变化，实现波形对比。

4 太阳能控制器研发

（1）太阳能控制器具有过充、过放、电子短路以及独特的防反接保护、过载保护等各种全自动控制功能，可以利用串联式PWM 充电主电路，确保充电回路电压损失显著降低。太阳能控制器的充电效率比非PWM 高约3%～6%，能够增加用电时间。过放恢复功能能够提高充电效率，开展正常直充。浮充自动控制方式能够延长系统的整体使用寿命，具有高精度温度补偿功能。（2）欠压电压设计值为12.0V×2/24V；超压保护值为117V×2/24V；过载、短路保护为1.25 倍额定电流60s，1.5 倍额定电流5s 时，会开展过载保护动作，超过3 倍额定电流会出现短路保护动作。总额定充电电流为10A；浮充为13.6V×2/24V，可以一直降到充电返回电压动作。（3）太阳能控制器的控制方式为无充电PWM脉宽调制控制器，主要功能是对太阳能电池板的工作状态进行全面监测，准确掌握蓄电池过充、过放、充电等具体状态，展示蓄电池的电量情况。输出模式设置过程中主要包含光控、时控和普通控制方式，实现蓄电池充电电流、电压监测工作。

5 结语

便携式光伏发电实训教学平台设计过程中，需要从科学研究需求和教学目标等不同角度出发，利用模块化设计原则实现系统化的教学实训设备设计。在设计时，需要从不同技术参数出发对研发要点进行科学把握。同时，确保便携式光伏发电教学实训平台能够使学生快速了解太阳能光伏应用的原理及具体的操作方法，为提升太阳能发电技术提供有利条件。