可移動式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與分析

陳子堅，張　鏈

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與能源學(xué)院，天津　300350；中國機房設(shè)施工程有限公司，天津　300221)

?

可移動式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與分析

陳子堅，張鏈

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與能源學(xué)院，天津300350；中國機房設(shè)施工程有限公司，天津300221)

從外觀結(jié)構(gòu)、光伏發(fā)電系統(tǒng)等兩方面設(shè)計了可移動式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)控系統(tǒng)進行測試與分析，該系統(tǒng)每年可產(chǎn)生約691kWh電能。此系統(tǒng)裝有滾輪具有可移動性，并且自帶模擬光源可拆卸，可以在室外進行太陽發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用或在室內(nèi)進行模擬太陽能發(fā)電方面的教學(xué)實訓(xùn)?？蓾M足落后偏遠地區(qū)或孤島日常的生活使用，也可用于新能源教學(xué)實驗實訓(xùn)。

可移動式；系統(tǒng)設(shè)計；太陽能發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電

一、 緒論

太陽能發(fā)電技術(shù)起步于20世紀(jì)初，技術(shù)迅速發(fā)展，在全球范圍內(nèi)得到了推廣。一方面，近年來我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、研究與開發(fā)主要集中于分布式光伏發(fā)電與偏遠地區(qū)光伏電站的建設(shè)；太陽能電池組件的開發(fā)；系統(tǒng)集成等方面。對于模塊化、小型光伏系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)往往被忽視，尤其對于一些特殊地區(qū)而言更是嚴(yán)重缺乏。

另一方面，在我國“十三五”規(guī)劃中明確提出要進一步發(fā)展我國的新能源產(chǎn)業(yè)，教育部《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2015-2018年)》提出要著重?？啤⒈究茖哟蔚穆殬I(yè)教育。而各類高等職業(yè)院校所開展的新能源專業(yè)剛剛起步，課程發(fā)展尚不成熟，尤其是實訓(xùn)課程中專業(yè)設(shè)備尚不完善，嚴(yán)重影響新能源專業(yè)發(fā)展與新能源人才培養(yǎng)。因此開展太陽能發(fā)電教學(xué)實訓(xùn)課程對職業(yè)教育十分重要?，F(xiàn)有的太陽能發(fā)電實訓(xùn)設(shè)備主要問題在于使用模擬光源來模擬太陽的照射而非實際太陽的照射；現(xiàn)有的太陽能發(fā)電實訓(xùn)設(shè)備具有自動和手動的追日功能，但沒有精確到角度，無法進行不同地區(qū)最佳傾角下的太陽能發(fā)電實訓(xùn)；現(xiàn)有的太陽能發(fā)電實訓(xùn)設(shè)備多使用非標(biāo)光伏組件，無法滿足學(xué)生對于實際太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程的實訓(xùn)需求。

由此，本文設(shè)計與開發(fā)了可移動式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于偏遠地區(qū)或孤島日常的生活使用，同時也可應(yīng)用于新能源專業(yè)的實驗實訓(xùn)教學(xué)。

二、 可移動式外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)光伏組件、模擬光源、移動框架、蓄電池、滾輪、控制柜、開關(guān)盒、觸摸屏等組成。圖1是本系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)的正視圖、底視圖和側(cè)視圖。從正視圖、底視圖和側(cè)視圖可以看到，光伏組件安裝在支撐架上，支撐架可由調(diào)節(jié)支架調(diào)節(jié)，安裝在移動框架上，調(diào)節(jié)角度見量角器，光伏組件上安裝了模擬光源，蓄電池安裝在移動框架內(nèi)部，滾輪安裝在移動框架的底部?？刂乒?、開關(guān)盒都安裝在移動框架表面。光伏組件工作時，太陽光投射在光伏組件上，被光伏電池片吸收聽過光生伏特效應(yīng)并轉(zhuǎn)化成電能。模擬光源由15個鹵燈組成，其主要作用是用來模擬太陽光，鹵燈發(fā)光后模擬太陽光，模擬光源可拆除。蓄電池用于儲存由光伏組件產(chǎn)生的電能。滾輪使本系統(tǒng)具有可移動性，這大大提高了了本系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。通過調(diào)節(jié)支架和量角器來調(diào)節(jié)支撐桿，從而改變光伏組件的傾角，可實現(xiàn)光伏組件傾角的手動調(diào)節(jié)。

1-模擬光源，2-光伏組件，3-支撐架，4-控制柜，5-滾輪，6-觸摸屏，7-蓄電池，8-調(diào)節(jié)支架，9-量角器，10-開關(guān)盒，11-移動框架

三、 控制系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)包括熔斷器、端子排、空氣開關(guān)、繼電器、逆變器、直流電流傳感器以及I/O采集板，如圖2所示。光伏組件受光照產(chǎn)生電能流入控制柜，經(jīng)端子排、空氣開關(guān)、繼電器分別對蓄電池組和負載供電，該過程中直流電流傳感器獲得光伏發(fā)電電流值，在I/O采集板中進行數(shù)據(jù)采集，反饋在觸摸屏上，觸摸屏可用于顯示并調(diào)節(jié)供電狀態(tài)。該I/O采集板自帶CPU，可根據(jù)觸摸屏指令或預(yù)設(shè)自動程序控制相關(guān)電氣元件。

觸摸屏可直觀地監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行，該觸摸屏參數(shù)列于表1?？梢垣@取光伏組件的發(fā)電電流值、蓄電池的充放電電流值和逆變器輸入端的電流值，同時可獲取蓄電池的充放電電壓值，進而獲得太陽能發(fā)電系統(tǒng)的實時發(fā)電量和累積發(fā)電量；也可以控制充放電的工作狀態(tài)。通過觸摸屏顯示數(shù)據(jù)后，可以及時對可移動式太陽能發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。

光伏組件由兩塊多晶硅電池板并聯(lián)組成，每塊多晶硅電池板的最佳工作電壓31.5V，峰值功率250W。由兩塊多晶硅電池板并聯(lián)組成的光伏組件分別經(jīng)空氣開關(guān)QF1連接到繼電器K1，經(jīng)空氣開關(guān)QF2連接到繼電器K2，該過程通過防反充二極管D進行保護，防止給光伏組件充電，繼電器K1、繼電器K2控制光伏組件的輸出，光伏組件輸出經(jīng)空氣開關(guān)QF3、空氣開關(guān)QF4到蓄電池GB1、蓄電池GB2和蓄電池GB3、蓄電池GB4，蓄電池GB1、蓄電池GB2由空氣開關(guān)QF3控制充放電，蓄電池GB3、蓄電池GB4由空氣開關(guān)QF4控制充放電(備用)。光伏組件輸出與蓄電池放電可直接連接直流24V負載，或經(jīng)空氣開關(guān)QF5、繼電器K3和熔斷器FU1連接到逆變器UI，逆變器UI將24V直流電變?yōu)?20V交流電，經(jīng)熔斷器FU2通過空氣開關(guān)QF6、空氣開關(guān)QF7給交流負載RL供電。熔斷器FU1用于保護供電端，熔斷器FU2用于保護交流負載。本系統(tǒng)可以為220V交流負載和24V直流負載供電。

24V直流電源分別通過I/O采集板DO1+/DO1-端口和I/O采集板DO2+/DO2-為繼電器K1和繼電器K2供電，控制兩個多晶硅電池板并聯(lián)組成的光伏組件向外輸出電能。24V直流電源通過I/O采集板DO3+/DO3-為繼電器K3供電，控制光伏組件輸出和蓄電池放電進入逆變器UI。24V直流電源通過觸摸屏開關(guān)SH為觸摸屏HMI和I/O采集板的24+/G-端口供電。直流電流傳感器BHBM1、直流電流傳感器BHBM2由I/O采集板FJ2端口供電。

直流電流傳感器BHBM1采集光伏輸出端電流傳輸?shù)絀/O采集板AI1+/AI1-端口，直流電流傳感器BHBM2采集逆變器UI進入端電流到I/O采集板AI3+/AI3-端口，I/O采集板AI2+/AI2-端口采集蓄電池充放電電壓值。I/O采集板通過DO1+/DO1-端口和DO2+/DO2-控制繼電器K1和繼電器K2供電，從而控制光伏組件輸出。I/O采集板通過DO3+/DO3-端口控制繼電器K3供電，從而控制光伏組件輸出和蓄電池放電進入逆變器UI，為交流負載RL供電。I/O采集板通過RS485端口將獲得的數(shù)據(jù)反饋給觸摸屏HMI。

MPPT(最大功率點跟蹤)控制方案主要基于擾動觀測法，其工作原理為：光伏組件初設(shè)定工作在某一參考電壓ref V下，并為該參考電壓假定某一變化方向和較小的步長，然后使輸出電壓按假定方式變化。在最大功率點左側(cè)未到達最大功率點時，有兩種情況：a. 假設(shè)參考電壓被判定右移，此時的ΔP(功率差)為正值，接近最大功率點，參考電壓應(yīng)該繼續(xù)正向右移；b. 若參考電壓被判定左移，此時的ΔP為負值，遠離最大功率點，參考電壓應(yīng)該反向移動，以進一步接近最大功率點。同樣的，在最大功率點的右側(cè)，同樣可以分析出兩種情況，與左側(cè)相類似。通過這樣不斷地檢測當(dāng)前時刻光伏組件輸出功率的變化，確定下一時刻輸出電壓的變化方向。這種方法控制相對簡單方便，對參數(shù)的精度的要求不是很高，只要外界環(huán)境變化不是過于劇烈，一般情況下都可以保證探尋到最大功率點。也比較適合小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

同時本系統(tǒng)可以設(shè)置MPPT控制方式為自動或者手動，可以選擇自動控制的周期，手動占空比，MPPT閾值，MPPT擾動量。但是需要注意每次設(shè)置完參數(shù)之后要進行保存，下次回到該界面即顯示上次保存設(shè)置值?？煞奖銓ψ畲蠊β庶c進行監(jiān)控。

圖2　本系統(tǒng)的電氣原理圖

圖3　本該統(tǒng)V-I 特性曲線及P-V 曲線

四、 系統(tǒng)測試及分析

本系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)依賴MCGSE觸摸屏組態(tài)技術(shù)，該技術(shù)可以很好的和I/O采集板進行通信，監(jiān)控本系統(tǒng)的工作狀態(tài)并采集實時數(shù)據(jù)。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)視本系統(tǒng)的自動工作狀態(tài)并手動控制本系統(tǒng)的狀態(tài)，同時可以采集本系統(tǒng)的電流、電壓、開路電壓、短路電流等實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，如圖3所示。由此本系統(tǒng)的最大功率點可從圖3中找到。

(1)

其中：

FF= 系統(tǒng)的填充因子，kWh；

PMAX= 系統(tǒng)最大功率，kWh；

UOC= 系統(tǒng)的開路電壓，V；

ISC= 系統(tǒng)的短路電流，A。

(2)

Et= 系統(tǒng)年發(fā)電量，kWh；

uτ= 系統(tǒng)瞬時電源，V；

iτ= 系統(tǒng)瞬時電流，A；

τ= 時刻，s。

由此，該系統(tǒng)的發(fā)電量可以根據(jù)公式2進行計算，通過計算可知該系統(tǒng)的年發(fā)電量約為691kWh。

五、 結(jié)論

(一)本系統(tǒng)裝有滾輪，并且模擬光源可拆卸，可以在室內(nèi)進行模擬太陽能發(fā)電系統(tǒng)的實訓(xùn)，也可以移動到室外進行實際環(huán)境太陽能發(fā)電系統(tǒng)的使用；

(二)本系統(tǒng)具有模塊化、可拆卸等特點，可用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運行、維護，學(xué)生可自主設(shè)計光伏發(fā)電及其控制系統(tǒng)并且完成連接；

(三)本系統(tǒng)可以進行以下實驗實訓(xùn)項目：

1.太陽能發(fā)電系統(tǒng)光伏組件與支架的安裝；

2.太陽能發(fā)電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)的設(shè)計、安裝與調(diào)試；

3.太陽能發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、編程與調(diào)試；

4.太陽能發(fā)電系統(tǒng)的性能測試(包括開路電壓、短路電流、伏安特性曲線、功率輸出曲線需外接電壓表與電阻箱)；

5.太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的充放電狀態(tài)調(diào)試；

6.實際太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程演示；

7.實際太陽能發(fā)電系統(tǒng)與模擬太陽能發(fā)電系統(tǒng)的對比測試；

8.太陽能發(fā)電系統(tǒng)的追日實驗；

9.不同地區(qū)理論與實際太陽能發(fā)電系統(tǒng)最佳傾角的對比實驗。

(四)本系統(tǒng)具有能耗分析功能及數(shù)據(jù)采集功能，可反饋到監(jiān)控系統(tǒng)終端觸摸屏，可自主設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)；

(五)本系統(tǒng)年發(fā)電量約為691kWh，可以產(chǎn)生經(jīng)濟和社會效益，節(jié)能減排同時實現(xiàn)。

(六)本系統(tǒng)模擬光源和電加熱器的供電是依賴于220V交流電的，而其他模塊的供電僅依賴于24V直流電，這意味著本系統(tǒng)在配備蓄電池的情況下可以廣泛應(yīng)用于沒有電網(wǎng)連接的、日照條件良好的偏遠落后地區(qū)與孤島地區(qū)，滿足那些區(qū)域的日常生活熱水使用。

[1]S. Vergura and G. Acciani, 3-D PV-cell model by means of FEM, International Conference on Clean Electrical Power, 35-40(2009).

[2]Z.P. Xiong and T.M. Walsh, PV module durability testing under high voltage biased damp heat conditions, Energy Procedia, 384-389,8(2011) .

[3]L.Zhang and Y.F.Zhang, Research on Energy Saving Potential for Dedicated Ventilation Systems Based on Heat Recovery Technology. Energies，4261-4280, 7,(2014).

[4]L.Zhang and Y.F.Zhang, Research on Heat Recovery Technology for Reducing the Energy Consumption of Dedicated Ventilation Systems: An Application to the Operating Model of a Laboratory, Energies,24,9,(2016).

[5]Y.S. Khoo and A. Nobre, Optimal Orientation and Tilt Angle for Maximizing in-Plane Solar Irradiation for PV Applications in Singapore, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, Vol. 4, 2,3(2014).

[6]蓋立豐.小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D]. 華北電力大學(xué)，2012.

[7]韓學(xué)棟,王海華,李劍鋒.小型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計[J].電力建設(shè)，2014，(01).

[8]隋崗.小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計[D]. 青島大學(xué)，2009.

[9]廖志凌，梅從立，徐東，楊兆銀.一種多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺[P].中國專利：CN202795847U, 2013-03-13.

[10]吳正明，黃忠琴，李君.小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的實驗裝置[P].中國專利：CN202042111U, 2011-11-16.

[11]王雪文,王洋,閻軍鋒,趙武,張志勇.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2004，(02).Design and Analysis of Mobile Solar Power System

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

課題項目：天津市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會科技項目(2014-34)；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計劃項目(20140426)。

陳子堅(1984-)，男，天津人，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與能源學(xué)院講師，研究方向：新能源；張鏈(1983-)，男，天津人，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電氣與能源學(xué)院副教授，研究方向：節(jié)能技術(shù)。

TK51

A

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