可移动式太阳能发电系统的设计与分析

陈子坚，张　链

(天津中德应用技术大学电气与能源学院，天津　300350；中国机房设施工程有限公司，天津　300221)



可移动式太阳能发电系统的设计与分析

陈子坚，张链

(天津中德应用技术大学电气与能源学院，天津300350；中国机房设施工程有限公司，天津300221)

从外观结构、光伏发电系统等两方面设计了可移动式太阳能发电系统。实验数据可以通过监控系统进行测试与分析，该系统每年可产生约691kWh电能。此系统装有滚轮具有可移动性，并且自带模拟光源可拆卸，可以在室外进行太阳发电系统的应用或在室内进行模拟太阳能发电方面的教学实训。可满足落后偏远地区或孤岛日常的生活使用，也可用于新能源教学实验实训。

可移动式；系统设计；太阳能发电系统；光伏发电

一、 绪论

太阳能发电技术起步于20世纪初，技术迅速发展，在全球范围内得到了推广。一方面，近年来我国光伏发电系统的设计、研究与开发主要集中于分布式光伏发电与偏远地区光伏电站的建设；太阳能电池组件的开发；系统集成等方面。对于模块化、小型光伏系统的设计与开发往往被忽视，尤其对于一些特殊地区而言更是严重缺乏。

另一方面，在我国“十三五”规划中明确提出要进一步发展我国的新能源产业，教育部《高等职业教育创新发展行动计划(2015-2018年)》提出要着重专科、本科层次的职业教育。而各类高等职业院校所开展的新能源专业刚刚起步，课程发展尚不成熟，尤其是实训课程中专业设备尚不完善，严重影响新能源专业发展与新能源人才培养。因此开展太阳能发电教学实训课程对职业教育十分重要。现有的太阳能发电实训设备主要问题在于使用模拟光源来模拟太阳的照射而非实际太阳的照射；现有的太阳能发电实训设备具有自动和手动的追日功能，但没有精确到角度，无法进行不同地区最佳倾角下的太阳能发电实训；现有的太阳能发电实训设备多使用非标光伏组件，无法满足学生对于实际太阳能发电系统工程的实训需求。

由此，本文设计与开发了可移动式太阳能发电系统，该系统适用于偏远地区或孤岛日常的生活使用，同时也可应用于新能源专业的实验实训教学。

二、 可移动式外观结构设计

本系统光伏组件、模拟光源、移动框架、蓄电池、滚轮、控制柜、开关盒、触摸屏等组成。图1是本系统外观结构的正视图、底视图和侧视图。从正视图、底视图和侧视图可以看到，光伏组件安装在支撑架上，支撑架可由调节支架调节，安装在移动框架上，调节角度见量角器，光伏组件上安装了模拟光源，蓄电池安装在移动框架内部，滚轮安装在移动框架的底部。控制柜、开关盒都安装在移动框架表面。光伏组件工作时，太阳光投射在光伏组件上，被光伏电池片吸收听过光生伏特效应并转化成电能。模拟光源由15个卤灯组成，其主要作用是用来模拟太阳光，卤灯发光后模拟太阳光，模拟光源可拆除。蓄电池用于储存由光伏组件产生的电能。滚轮使本系统具有可移动性，这大大提高了了本系统的环境适应性。通过调节支架和量角器来调节支撑杆，从而改变光伏组件的倾角，可实现光伏组件倾角的手动调节。

1-模拟光源，2-光伏组件，3-支撑架，4-控制柜，5-滚轮，6-触摸屏，7-蓄电池，8-调节支架，9-量角器，10-开关盒，11-移动框架

三、 控制系统设计

该控制系统包括熔断器、端子排、空气开关、继电器、逆变器、直流电流传感器以及I/O采集板，如图2所示。光伏组件受光照产生电能流入控制柜，经端子排、空气开关、继电器分别对蓄电池组和负载供电，该过程中直流电流传感器获得光伏发电电流值，在I/O采集板中进行数据采集，反馈在触摸屏上，触摸屏可用于显示并调节供电状态。该I/O采集板自带CPU，可根据触摸屏指令或预设自动程序控制相关电气元件。

触摸屏可直观地监控整个系统的运行，该触摸屏参数列于表1。可以获取光伏组件的发电电流值、蓄电池的充放电电流值和逆变器输入端的电流值，同时可获取蓄电池的充放电电压值，进而获得太阳能发电系统的实时发电量和累积发电量；也可以控制充放电的工作状态。通过触摸屏显示数据后，可以及时对可移动式太阳能发电系统参数进行调整。

光伏组件由两块多晶硅电池板并联组成，每块多晶硅电池板的最佳工作电压31.5V，峰值功率250W。由两块多晶硅电池板并联组成的光伏组件分别经空气开关QF1连接到继电器K1，经空气开关QF2连接到继电器K2，该过程通过防反充二极管D进行保护，防止给光伏组件充电，继电器K1、继电器K2控制光伏组件的输出，光伏组件输出经空气开关QF3、空气开关QF4到蓄电池GB1、蓄电池GB2和蓄电池GB3、蓄电池GB4，蓄电池GB1、蓄电池GB2由空气开关QF3控制充放电，蓄电池GB3、蓄电池GB4由空气开关QF4控制充放电(备用)。光伏组件输出与蓄电池放电可直接连接直流24V负载，或经空气开关QF5、继电器K3和熔断器FU1连接到逆变器UI，逆变器UI将24V直流电变为220V交流电，经熔断器FU2通过空气开关QF6、空气开关QF7给交流负载RL供电。熔断器FU1用于保护供电端，熔断器FU2用于保护交流负载。本系统可以为220V交流负载和24V直流负载供电。

24V直流电源分别通过I/O采集板DO1+/DO1-端口和I/O采集板DO2+/DO2-为继电器K1和继电器K2供电，控制两个多晶硅电池板并联组成的光伏组件向外输出电能。24V直流电源通过I/O采集板DO3+/DO3-为继电器K3供电，控制光伏组件输出和蓄电池放电进入逆变器UI。24V直流电源通过触摸屏开关SH为触摸屏HMI和I/O采集板的24+/G-端口供电。直流电流传感器BHBM1、直流电流传感器BHBM2由I/O采集板FJ2端口供电。

直流电流传感器BHBM1采集光伏输出端电流传输到I/O采集板AI1+/AI1-端口，直流电流传感器BHBM2采集逆变器UI进入端电流到I/O采集板AI3+/AI3-端口，I/O采集板AI2+/AI2-端口采集蓄电池充放电电压值。I/O采集板通过DO1+/DO1-端口和DO2+/DO2-控制继电器K1和继电器K2供电，从而控制光伏组件输出。I/O采集板通过DO3+/DO3-端口控制继电器K3供电，从而控制光伏组件输出和蓄电池放电进入逆变器UI，为交流负载RL供电。I/O采集板通过RS485端口将获得的数据反馈给触摸屏HMI。

MPPT(最大功率点跟踪)控制方案主要基于扰动观测法，其工作原理为：光伏组件初设定工作在某一参考电压ref V下，并为该参考电压假定某一变化方向和较小的步长，然后使输出电压按假定方式变化。在最大功率点左侧未到达最大功率点时，有两种情况：a. 假设参考电压被判定右移，此时的ΔP(功率差)为正值，接近最大功率点，参考电压应该继续正向右移；b. 若参考电压被判定左移，此时的ΔP为负值，远离最大功率点，参考电压应该反向移动，以进一步接近最大功率点。同样的，在最大功率点的右侧，同样可以分析出两种情况，与左侧相类似。通过这样不断地检测当前时刻光伏组件输出功率的变化，确定下一时刻输出电压的变化方向。这种方法控制相对简单方便，对参数的精度的要求不是很高，只要外界环境变化不是过于剧烈，一般情况下都可以保证探寻到最大功率点。也比较适合小型光伏发电系统。

同时本系统可以设置MPPT控制方式为自动或者手动，可以选择自动控制的周期，手动占空比，MPPT阈值，MPPT扰动量。但是需要注意每次设置完参数之后要进行保存，下次回到该界面即显示上次保存设置值。可方便对最大功率点进行监控。

图2　本系统的电气原理图

图3　本该统V-I 特性曲线及P-V 曲线

四、 系统测试及分析

本系统的监控系统依赖MCGSE触摸屏组态技术，该技术可以很好的和I/O采集板进行通信，监控本系统的工作状态并采集实时数据。通过监控系统可以监视本系统的自动工作状态并手动控制本系统的状态，同时可以采集本系统的电流、电压、开路电压、短路电流等实时数据和历史数据，如图3所示。由此本系统的最大功率点可从图3中找到。

(1)

其中：

FF= 系统的填充因子，kWh；

PMAX= 系统最大功率，kWh；

UOC= 系统的开路电压，V；

ISC= 系统的短路电流，A。

(2)

Et= 系统年发电量，kWh；

uτ= 系统瞬时电源，V；

iτ= 系统瞬时电流，A；

τ= 时刻，s。

由此，该系统的发电量可以根据公式2进行计算，通过计算可知该系统的年发电量约为691kWh。

五、 结论

(一)本系统装有滚轮，并且模拟光源可拆卸，可以在室内进行模拟太阳能发电系统的实训，也可以移动到室外进行实际环境太阳能发电系统的使用；

(二)本系统具有模块化、可拆卸等特点，可用于太阳能发电系统的安装、调试、运行、维护，学生可自主设计光伏发电及其控制系统并且完成连接；

(三)本系统可以进行以下实验实训项目：

1.太阳能发电系统光伏组件与支架的安装；

2.太阳能发电系统电气系统的设计、安装与调试；

3.太阳能发电系统监控系统的设计、编程与调试；

4.太阳能发电系统的性能测试(包括开路电压、短路电流、伏安特性曲线、功率输出曲线需外接电压表与电阻箱)；

5.太阳能发电系统蓄电池的充放电状态调试；

6.实际太阳能发电系统工程演示；

7.实际太阳能发电系统与模拟太阳能发电系统的对比测试；

8.太阳能发电系统的追日实验；

9.不同地区理论与实际太阳能发电系统最佳倾角的对比实验。

(四)本系统具有能耗分析功能及数据采集功能，可反馈到监控系统终端触摸屏，可自主设计监控系统；

(五)本系统年发电量约为691kWh，可以产生经济和社会效益，节能减排同时实现。

(六)本系统模拟光源和电加热器的供电是依赖于220V交流电的，而其他模块的供电仅依赖于24V直流电，这意味着本系统在配备蓄电池的情况下可以广泛应用于没有电网连接的、日照条件良好的偏远落后地区与孤岛地区，满足那些区域的日常生活热水使用。

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CHEN Zi-jian, ZHANG Lian

(Electricity Engineering and Energy College of Tianjin Sino-German University of Applied Science,Tianjin, 300350;ChinaComputer-RoomEquipmentEngineeringCo.,Ltd,Tianjin, 300221)

in this paper, a mobile solar power system is designed from the aspects of exterior structure, photovoltaic power generation system and so on. The experimental data can be tested and analyzed by a monitoring system; this solar power system generates about 691 kWh of electricity per year. The system is equipped with a wheel for mobility and with a removable analog light source; it can be used outdoors for solar power generation system applications or indoor simulation of solar power teaching. The system can be used to meet the daily life of remote areas or isolated islands, and it can also be used for new energy practical training.

mobile; system design; solar power generation system; photovoltaic power generation

2016-05-17

课题项目：天津市城乡建设委员会科技项目(2014-34)；天津市高等学校科技发展基金计划项目(20140426)。

陈子坚(1984-)，男，天津人，天津中德应用技术大学电气与能源学院讲师，研究方向：新能源；张链(1983-)，男，天津人，天津中德应用技术大学电气与能源学院副教授，研究方向：节能技术。

TK51

A

1673-582X(2016)11-0090-06