应用于教学的太阳能电源装置的设计

高泽盟++王耀++周明++宗瑶瑶

[摘  要]本文设计的装置主要针对实现太阳能最大功率点的跟踪以及保持稳定电压输出的要求，因此分为两大部分。一部分是太阳能的跟踪装置，另一部分是稳压电源的设计。

[关键词]光伏发电;追踪光源;稳压电路;教学装备

中图分类号：TK513.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0142-02

随着越来越多的高校开展光伏发电电源教学的综合性实验，可追踪太阳能光伏发电教学装置也得到了更多的重视。它作为一个新颖的典型的教学载体，可以帮助教师开发设计教学项目，涵盖电气专业多门专业课程的内容，如电力电子稳压电路设计、传感器原理及应用、控制电路设计、电机拖动以及光能转换等。依托该教学设备，学生可以在实践动手的过程中，既可以综合所学的知识技能，提高自身的核心职业能力，又普及了太阳能发电的科普知识，有利于接触新事物、新科技，广开眼界，拓宽对未来就业的思路。

1.基本原理

该装置是通过光伏板将太阳能转换为电能，再经稳压装置处理，直接可向手机充电。为使教学方案简单易懂，故而选取太阳能的跟踪装置采取单轴式自动跟踪装置，而且它采用的单轴试自动跟踪装置能够使光伏板获取当前时刻最多的太阳能以及足够的功率来给手机充电。自动跟踪装置的主要工作原理是利用因太阳光照射的不均匀使两个光敏电阻的阻值变化不同，导致产生的电压差来控制步进电机的转动，直到寻找到电压差为零的位置后控制电机停止转动。但是由于太阳能光伏发电的输出电压不稳定，因此需要增加稳压装置，以此来输出稳定的电压向手机充电。稳压装置中的稳压电路是利用Buck-Boost电路来实现的，并在其后加了指示灯来确定输出电压为5V，以及USB接口直接向手机充电。

2.方案设计

2.1 追踪光源部分设计：

为使教学方案简单易懂，故而太阳能跟踪装置采取单轴式结构[1]，大体包含五部分，从下至上依次为步进电机、支架、光伏板阵列、信号采集与比较电路，除此之外还有从光伏板引出的USB接口。示意图如图1。

（1）信号采集与比较：采用光敏电阻传感器将光信号转换为电信号，通过模拟比较电路为电机的转动寻找正确方向。

（2）光伏阵列[2]：目前太阳能电池板主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三类。其中单晶硅太阳能电池板的光电转换效率为15%～20%，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。多晶硅电池板的转化率约为12%，非晶硅约为10%。因此，在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅优于多晶硅和非晶硅，故本装置选用单晶硅电池板，并采用两块相同的太阳能板并联以获取较大的工作电流。

（3）支架：用于支撑光伏板，使其与光照成一近似垂直的角度，以此保证任意位置在纵方向上获得较大的光照。

（4）直流电机：由于室外的光照不是一成不变的，为了确保跟踪精度，应该保证太阳能跟踪过程中光伏板尽量与照射光线保持垂直状态，因此选择一款灵敏的电机显得十分重要，但是为了使本装置更加适应于教学使用，我们选用一款简单的直流电机。

对于光伏发电系统而言，室外环境如太阳辐照度经常随时间发生变化，导致了光伏阵列不能持续工作于最大输出功率点处，降低了光电转换效率，浪费了大部分光能。因此通过最大功率点跟踪（MPPT）技术使光伏电池的输出功率保持在最大状态，是提高系统光电转换效率的一个重要途径。通过调研本文选取实际大型光伏系统使用的较为普遍的三种跟踪方法[3，4]进行简要的对比，可得下表1：

由于本文中设计的装置较小且为教学装置，上述方法均不适用于小型教学装置，因此我们将采用最简单的模拟电路来实现跟踪功能[5]。通过在光伏板上左右两侧设置光敏电阻来采集光能，使其产生电压差值驱动电机转动，直至电压差为零，即获得最大光照的位置。本方案虽然灵敏度低且精度较差，却有电路简单、成本低廉的优点，适用于本实验教学装置的制作和使用。

2.2稳压电路设计

将Buck变换器与Boost变换器进行级联，如图2所示。Buck变换器的电压传输比，Boost变换器的电压传输比，则级联后的变换器电压传输比为.若将L1、L2及C1组成的三阶低通滤波网络用一个简单的电感L代替，并不影响变换器稳态输出。若进一步将两组开关简化为一组开关，则可得到通常所述的输出电压反极性的Buck-Boost变换器。

图3为常规Buck-Boost变换器的基本电路拓扑，图4为其等效电路。根据电感电流是否连续，Buck-Boost变换器可分为连续导电模式和不连续导电模式。连续导电模式下的Buck-Boost变换器输入输出电压传输比M=V/Vg=D/（1-D），分子D为Buck变换器的电压传输比，分母（1-D）为Boost变换器的电压传输比，且输出电压的极性与输入电压相反，其工作条件为或。

在以上分析的基础上，本文选用DC/DC转换器TD1410作为电路核心，TD1410是一个380KHz固定频率单步开关模式稳压器，其内部含有电力MOS管。该芯片在较宽输入范围时可实现2A连续电流输出，并有优良线性调节能力。PWM控制电路可以调整占空比从0至100%。使能功能、过流保护和短路电流保护功能被设计到芯片内部。其电压输入Vin为0到20V，对于小型光伏板一般情况下的输出电压刚好适用。

实际稳压电路模型如图5所示。电路中Vin是来自光伏板的电压输出，一般光照条件下电压输出范围是5.5～20V。一个合适的输入旁路电容Cin可以减小电压瞬变并提供调节器需要的转换电流，为保证电容的耐压高于电源的输入电压并达到预期效果，我们通过估算和仿真确定选用100uF，额定电压35伏的瓷片电容;在输出端接电容Cout可以消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，这里选用220uF，额定电压25V。电感L1可以减小输出电压波动，使输出较稳定的直流电压，并满足连续导电模式下的工作条件[6]，即，这里本文选用15uH，2.5A。另外，为避免输入端断开时Co从稳压器输出端向稳压器放电从而造成器件损坏，我们在转换输出端SW和地线GND之间接肖特基二极管SK33.反馈输入端FB通过外部电阻分压网络检测输出端电压并进行调节，反馈电压阈值是1.235V。通过电阻R1和R2分压，可得到输出电压Vout=（1+R1/R2）*1.235V，为输出5V直流电压，选用R1为6.2K欧姆，R2为2K欧姆。

3.电路仿真及实验测试

稳压电路是本装置最重要的部分，根据光伏装置输出电压不稳定的情况，设计一个稳压电路。在以Buck--Boost电路为主体的基础上，添加了闭环控制的控制系统以使电压稳到目标电压。根据电路设计原理，确立各项参数的变化范围，最终通过PSIM仿真选择一组最精确的参数。图6为仿真电路，图7为输出电压（VP1）与输入电压（VP3）。由仿真结果可以看出，稳压效果良好，输出基本符合精确度要求。

在经过仿真后对稳压电路进行焊接并测试，实验结果表明稳压效果良好。电路板如图7，实验结果如图8。

4.结束语

本文所设计的光伏跟踪及稳压装置以电气专业的基本课程为依托，光源追踪效果与稳压效果良好，基本达到了实用性及教学要求，并且在设计制作过程中锻炼了学生对课程基本原理的应用能力，该装置也可用于日后教学及学生实验。

参考文献：

[1] 舒志兵，汤世松，赵李霞.高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用.伺服控制，2010年8月.

[2] 薛继元，冯文林，赵芬，杨晓占.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究.红外与激光工程，2015：1007-2276（2015）01-0176-06.

[3] 徐鹏威，刘飞，刘邦银，段善旭.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进.电力电子技术，2007：1000-100X（2007）05-0003-03.

[4] 闵江威.光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究.华中科技大学，2006.

[5] 张春卿，刘世泉，李琪.可追踪太阳能光伏发电教学装置的设计与制作.中国现代教育技术装备，2015：10.13492/j.cnki.cmee.2015.21.009.

[6] 程红，王聪，王俊编著.开关变换器建模、控制及其控制器的数字实现.清华大学出版社.