應用于教學的太陽能電源裝置的設計

高澤盟++王耀++周明++宗瑤瑤

[摘 ?要]本文設計的裝置主要針對實現(xiàn)太陽能最大功率點的跟蹤以及保持穩(wěn)定電壓輸出的要求，因此分為兩大部分。一部分是太陽能的跟蹤裝置，另一部分是穩(wěn)壓電源的設計。

[關鍵詞]光伏發(fā)電;追蹤光源;穩(wěn)壓電路;教學裝備

中圖分類號：TK513.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0142-02

隨著越來越多的高校開展光伏發(fā)電電源教學的綜合性實驗，可追蹤太陽能光伏發(fā)電教學裝置也得到了更多的重視。它作為一個新穎的典型的教學載體，可以幫助教師開發(fā)設計教學項目，涵蓋電氣專業(yè)多門專業(yè)課程的內容，如電力電子穩(wěn)壓電路設計、傳感器原理及應用、控制電路設計、電機拖動以及光能轉換等。依托該教學設備，學生可以在實踐動手的過程中，既可以綜合所學的知識技能，提高自身的核心職業(yè)能力，又普及了太陽能發(fā)電的科普知識，有利于接觸新事物、新科技，廣開眼界，拓寬對未來就業(yè)的思路。

1.基本原理

該裝置是通過光伏板將太陽能轉換為電能，再經(jīng)穩(wěn)壓裝置處理，直接可向手機充電。為使教學方案簡單易懂，故而選取太陽能的跟蹤裝置采取單軸式自動跟蹤裝置，而且它采用的單軸試自動跟蹤裝置能夠使光伏板獲取當前時刻最多的太陽能以及足夠的功率來給手機充電。自動跟蹤裝置的主要工作原理是利用因太陽光照射的不均勻使兩個光敏電阻的阻值變化不同，導致產(chǎn)生的電壓差來控制步進電機的轉動，直到尋找到電壓差為零的位置后控制電機停止轉動。但是由于太陽能光伏發(fā)電的輸出電壓不穩(wěn)定，因此需要增加穩(wěn)壓裝置，以此來輸出穩(wěn)定的電壓向手機充電。穩(wěn)壓裝置中的穩(wěn)壓電路是利用Buck-Boost電路來實現(xiàn)的，并在其后加了指示燈來確定輸出電壓為5V，以及USB接口直接向手機充電。

2.方案設計

2.1 追蹤光源部分設計：

為使教學方案簡單易懂，故而太陽能跟蹤裝置采取單軸式結構[1]，大體包含五部分，從下至上依次為步進電機、支架、光伏板陣列、信號采集與比較電路，除此之外還有從光伏板引出的USB接口。示意圖如圖1。

（1）信號采集與比較：采用光敏電阻傳感器將光信號轉換為電信號，通過模擬比較電路為電機的轉動尋找正確方向。

（2）光伏陣列[2]：目前太陽能電池板主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅三類。其中單晶硅太陽能電池板的光電轉換效率為15%～20%，使用壽命一般可達15年，最高可達25年。多晶硅電池板的轉化率約為12%，非晶硅約為10%。因此，在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅優(yōu)于多晶硅和非晶硅，故本裝置選用單晶硅電池板，并采用兩塊相同的太陽能板并聯(lián)以獲取較大的工作電流。

（3）支架：用于支撐光伏板，使其與光照成一近似垂直的角度，以此保證任意位置在縱方向上獲得較大的光照。

（4）直流電機：由于室外的光照不是一成不變的，為了確保跟蹤精度，應該保證太陽能跟蹤過程中光伏板盡量與照射光線保持垂直狀態(tài)，因此選擇一款靈敏的電機顯得十分重要，但是為了使本裝置更加適應于教學使用，我們選用一款簡單的直流電機。

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，室外環(huán)境如太陽輻照度經(jīng)常隨時間發(fā)生變化，導致了光伏陣列不能持續(xù)工作于最大輸出功率點處，降低了光電轉換效率，浪費了大部分光能。因此通過最大功率點跟蹤（MPPT）技術使光伏電池的輸出功率保持在最大狀態(tài)，是提高系統(tǒng)光電轉換效率的一個重要途徑。通過調研本文選取實際大型光伏系統(tǒng)使用的較為普遍的三種跟蹤方法[3，4]進行簡要的對比，可得下表1：

由于本文中設計的裝置較小且為教學裝置，上述方法均不適用于小型教學裝置，因此我們將采用最簡單的模擬電路來實現(xiàn)跟蹤功能[5]。通過在光伏板上左右兩側設置光敏電阻來采集光能，使其產(chǎn)生電壓差值驅動電機轉動，直至電壓差為零，即獲得最大光照的位置。本方案雖然靈敏度低且精度較差，卻有電路簡單、成本低廉的優(yōu)點，適用于本實驗教學裝置的制作和使用。

2.2穩(wěn)壓電路設計

將Buck變換器與Boost變換器進行級聯(lián)，如圖2所示。Buck變換器的電壓傳輸比，Boost變換器的電壓傳輸比，則級聯(lián)后的變換器電壓傳輸比為.若將L1、L2及C1組成的三階低通濾波網(wǎng)絡用一個簡單的電感L代替，并不影響變換器穩(wěn)態(tài)輸出。若進一步將兩組開關簡化為一組開關，則可得到通常所述的輸出電壓反極性的Buck-Boost變換器。

圖3為常規(guī)Buck-Boost變換器的基本電路拓撲，圖4為其等效電路。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck-Boost變換器可分為連續(xù)導電模式和不連續(xù)導電模式。連續(xù)導電模式下的Buck-Boost變換器輸入輸出電壓傳輸比M=V/Vg=D/（1-D），分子D為Buck變換器的電壓傳輸比，分母（1-D）為Boost變換器的電壓傳輸比，且輸出電壓的極性與輸入電壓相反，其工作條件為或。

在以上分析的基礎上，本文選用DC/DC轉換器TD1410作為電路核心，TD1410是一個380KHz固定頻率單步開關模式穩(wěn)壓器，其內部含有電力MOS管。該芯片在較寬輸入范圍時可實現(xiàn)2A連續(xù)電流輸出，并有優(yōu)良線性調節(jié)能力。PWM控制電路可以調整占空比從0至100%。使能功能、過流保護和短路電流保護功能被設計到芯片內部。其電壓輸入Vin為0到20V，對于小型光伏板一般情況下的輸出電壓剛好適用。

實際穩(wěn)壓電路模型如圖5所示。電路中Vin是來自光伏板的電壓輸出，一般光照條件下電壓輸出范圍是5.5～20V。一個合適的輸入旁路電容Cin可以減小電壓瞬變并提供調節(jié)器需要的轉換電流，為保證電容的耐壓高于電源的輸入電壓并達到預期效果，我們通過估算和仿真確定選用100uF，額定電壓35伏的瓷片電容;在輸出端接電容Cout可以消除電路高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應，這里選用220uF，額定電壓25V。電感L1可以減小輸出電壓波動，使輸出較穩(wěn)定的直流電壓，并滿足連續(xù)導電模式下的工作條件[6]，即，這里本文選用15uH，2.5A。另外，為避免輸入端斷開時Co從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電從而造成器件損壞，我們在轉換輸出端SW和地線GND之間接肖特基二極管SK33.反饋輸入端FB通過外部電阻分壓網(wǎng)絡檢測輸出端電壓并進行調節(jié)，反饋電壓閾值是1.235V。通過電阻R1和R2分壓，可得到輸出電壓Vout=（1+R1/R2）*1.235V，為輸出5V直流電壓，選用R1為6.2K歐姆，R2為2K歐姆。

3.電路仿真及實驗測試

穩(wěn)壓電路是本裝置最重要的部分，根據(jù)光伏裝置輸出電壓不穩(wěn)定的情況，設計一個穩(wěn)壓電路。在以Buck--Boost電路為主體的基礎上，添加了閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)以使電壓穩(wěn)到目標電壓。根據(jù)電路設計原理，確立各項參數(shù)的變化范圍，最終通過PSIM仿真選擇一組最精確的參數(shù)。圖6為仿真電路，圖7為輸出電壓（VP1）與輸入電壓（VP3）。由仿真結果可以看出，穩(wěn)壓效果良好，輸出基本符合精確度要求。

在經(jīng)過仿真后對穩(wěn)壓電路進行焊接并測試，實驗結果表明穩(wěn)壓效果良好。電路板如圖7，實驗結果如圖8。

4.結束語

本文所設計的光伏跟蹤及穩(wěn)壓裝置以電氣專業(yè)的基本課程為依托，光源追蹤效果與穩(wěn)壓效果良好，基本達到了實用性及教學要求，并且在設計制作過程中鍛煉了學生對課程基本原理的應用能力，該裝置也可用于日后教學及學生實驗。

參考文獻：

[1] 舒志兵，湯世松，趙李霞.高精度雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設計應用.伺服控制，2010年8月.

[2] 薛繼元，馮文林，趙芬，楊曉占.太陽能電池板的輸出特性與實際應用研究.紅外與激光工程，2015：1007-2276（2015）01-0176-06.

[3] 徐鵬威，劉飛，劉邦銀，段善旭.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進.電力電子技術，2007：1000-100X（2007）05-0003-03.

[4] 閔江威.光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制技術研究.華中科技大學，2006.

[5] 張春卿，劉世泉，李琪.可追蹤太陽能光伏發(fā)電教學裝置的設計與制作.中國現(xiàn)代教育技術裝備，2015：10.13492/j.cnki.cmee.2015.21.009.

[6] 程紅，王聰，王俊編著.開關變換器建模、控制及其控制器的數(shù)字實現(xiàn).清華大學出版社.