高澤盟++王耀++周明++宗瑤瑤

[摘 ?要]本文設(shè)計(jì)的裝置主要針對實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率點(diǎn)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(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電;追蹤光源;穩(wěn)壓電路;教學(xué)裝備

中圖分類號：TK513.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)的綜合性實(shí)驗(yàn)，可追蹤太陽能光伏發(fā)電教學(xué)裝置也得到了更多的重視。它作為一個(gè)新穎的典型的教學(xué)載體，可以幫助教師開發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，涵蓋電氣專業(yè)多門專業(yè)課程的內(nèi)容，如電力電子穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)、傳感器原理及應(yīng)用、控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)拖動(dòng)以及光能轉(zhuǎn)換等。依托該教學(xué)設(shè)備，學(xué)生可以在實(shí)踐動(dòng)手的過程中，既可以綜合所學(xué)的知識(shí)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(shí)，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(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)穩(wěn)壓裝置處理，直接可向手機(jī)充電。為使教學(xué)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(dòng)跟蹤裝置，而且它采用的單軸試自動(dòng)跟蹤裝置能夠使光伏板獲取當(dāng)前時(shí)刻最多的太陽能以及足夠的功率來給手機(jī)充電。自動(dòng)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(gè)光敏電阻的阻值變化不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓差來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，直到尋找到電壓差為零的位置后控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)充電。穩(wěn)壓裝置中的穩(wěn)壓電路是利用Buck-Boost電路來實(shí)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(jī)充電。

2.方案設(shè)計(jì)

2.1 追蹤光源部分設(shè)計(jì)：

為使教學(xué)方案簡單易懂，故而太陽能跟蹤裝置采取單軸式結(jié)構(gòu)[1]，大體包含五部分，從下至上依次為步進(jìn)電機(jī)、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(zhuǎn)換為電信號，通過模擬比較電路為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)換效率為15%～20%，使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年。多晶硅電池板的轉(zhuǎn)化率約為12%，非晶硅約為10%。因此，在能量轉(zhuǎn)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(jī)：由于室外的光照不是一成不變的，為了確保跟蹤精度，應(yīng)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(jī)顯得十分重要，但是為了使本裝置更加適應(yīng)于教學(xué)使用，我們選用一款簡單的直流電機(jī)。

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(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致了光伏陣列不能持續(xù)工作于最大輸出功率點(diǎn)處，降低了光電轉(zhuǎn)換效率，浪費(fèi)了大部分光能。因此通過最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)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(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要途徑。通過調(diào)研本文選取實(shí)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(jìn)行簡要的對比，可得下表1：

由于本文中設(shè)計(jì)的裝置較小且為教學(xué)裝置，上述方法均不適用于小型教學(xué)裝置，因此我們將采用最簡單的模擬電路來實(shí)現(xiàn)跟蹤功能[5]。通過在光伏板上左右兩側(cè)設(shè)置光敏電阻來采集光能，使其產(chǎn)生電壓差值驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(diǎn)，適用于本實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的制作和使用。

2.2穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

將Buck變換器與Boost變換器進(jìn)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(luò)用一個(gè)簡單的電感L代替，并不影響變換器穩(wěn)態(tài)輸出。若進(jìn)一步將兩組開關(guān)簡化為一組開關(guān)，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?fù)?，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(dǎo)電模式和不連續(xù)導(dǎo)電模式。連續(xù)導(dǎo)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(chǔ)上，本文選用DC/DC轉(zhuǎn)換器TD1410作為電路核心，TD1410是一個(gè)380KHz固定頻率單步開關(guān)模式穩(wěn)壓器，其內(nèi)部含有電力MOS管。該芯片在較寬輸入范圍時(shí)可實(shí)現(xiàn)2A連續(xù)電流輸出，并有優(yōu)良線性調(diào)節(jié)能力。PWM控制電路可以調(diào)整占空比從0至100%。使能功能、過流保護(hù)和短路電流保護(hù)功能被設(shè)計(jì)到芯片內(nèi)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(shí)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(gè)合適的輸入旁路電容Cin可以減小電壓瞬變并提供調(diào)節(jié)器需要的轉(zhuǎn)換電流，為保證電容的耐壓高于電源的輸入電壓并達(dá)到預(yù)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，這里選用220uF，額定電壓25V。電感L1可以減小輸出電壓波動(dòng)，使輸出較穩(wěn)定的直流電壓，并滿足連續(xù)導(dǎo)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(shí)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(zhuǎn)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(luò)檢測輸出端電壓并進(jìn)行調(diào)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(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路。在以Buck--Boost電路為主體的基礎(chǔ)上，添加了閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)以使電壓穩(wěn)到目標(biāo)電壓。根據(jù)電路設(shè)計(jì)原理，確立各項(xiàng)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(jié)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(jìn)行焊接并測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明穩(wěn)壓效果良好。電路板如圖7，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。

4.結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)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(dá)到了實(shí)用性及教學(xué)要求，并且在設(shè)計(jì)制作過程中鍛煉了學(xué)生對課程基本原理的應(yīng)用能力，該裝置也可用于日后教學(xué)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計(jì)應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(jìn).電力電子技術(shù)，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(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究.華中科技大學(xué)，2006.

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

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