移动式太阳能计算机教室,可移动式光伏光热一体化实验实训系统

技术领域

本发明涉及教学设备制造技术领域，尤其涉及一种可移动式光伏光热一 体化实验实训系统。

背景技术

在现有的新能源实验实训设备中，太阳能发电实训设备有一定的数量，太阳能热利用 设备则少之又少，而针对光伏光热一体化方向更是没有相关的实验实训系统。中华人民共和 国国家知识产权局于2014年02月26日公开了公开号为CN103606325A的专利文献，名称 是一种太阳能光伏发电综合实验平台，但是其无法用于光热应用方面的教学和研究；国家知 识产权局于2015年01月14日授权了授权公告号为CN204102444U的专利文献，名称是太 阳能光热实验平台，但是其无法用于光伏发电方面的教学和研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种可移动式光伏光热 一体化实验实训系统，更适用于新能源专业学生日常的实训教学与创新实验， 在没有任何外接电源的情况下用于实际光伏光热实验。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种可移动式光伏光热一体化实验实训系统，包括移动框架以及安装在所述移 动框架上的光热应用装置和光伏供电装置；所述光热应用装置包括第一模拟光 源、水箱以及太阳能平板集热器；所述第一模拟光源倾斜固定在所述移动框架 上，所述太阳能平板集热器设置在所述第一模拟光源的下部并与所述移动框架 固定，所述水箱固定在所述移动框架中；所述太阳能平板集热器上设有进水管 和出水管，所述进水管与所述水箱的进水口连通，所述进水管上安装有电磁阀； 所述出水管与所述水箱的出水口连通，所述出水管上依次安装有直流水泵、超 声波热量表、手动阀门，所述超声波热量表与所述手动阀门之间设有泄水口； 所述光伏供电装置包括第二模拟光源、光伏组件以及量角器，所述第二模拟光源位于所述光伏组件上方并安装在第二模拟光源架支撑杆上，所述第二模拟光 源架支撑杆固定在所述移动框架上；所述光伏组件固定在光伏组件横向支撑杆 上，所述光伏组件横向支撑杆安装在光伏组件旋转杆上，所述光伏组件旋转杆 与光伏组件竖向支撑杆上部铰接，所述光伏组件竖向支撑杆固定在所述移动框 架上，所述量角器安装在所述光伏组件竖向支撑杆与所述光伏组件旋转杆之间， 所述光伏组件竖向支撑杆与所述光伏组件旋转杆之间设有调节支架。

优选地，所述水箱中设有电加热器。

优选地，所述水箱中设有液位传感器。

优选地，所述移动框架上设有光热控制柜；所述光热控制柜由整流桥、 变压器、空气开关组、转换模块、光热I/O采集板、交流接触器、指示灯、第 一继电器、第二继电器、光热触摸屏组成；在室内进行模拟光伏光热一体化实 验实训时，220V交流电经开关盒为第一模拟光源、电加热器供电，220V交流电 经过空气开关组到达变压器和整流桥变为24V直流电，为光热I/O采集板、第 一继电器的继电器线圈、第二继电器的继电器线圈、超声波热量表、液位传感 器、转换模块、光热触摸屏供电。

优选地，所述光热I/O采集板用于采集所述液位传感器、超声波热量表 的数据，反馈给光热触摸屏，并通过第一继电器和第二继电器分别控制所述电 磁阀和直流水泵，通过所述交流接触器控制所述电加热器，实现对太阳能热利 用的监控，光热触摸屏用于实时监测各项数据并控制和切换各种状态。

优选地，所述超声波热量表使用M-BUS总线，而光热I/O采集板使用 RS-485总线，通过转换模块转换，再和光热I/O采集板通信。

优选地，所述移动框架上安装有光伏控制柜以及蓄电池组。

优选地，所述光伏控制柜包括熔断器、端子排、空气开关、第三继电器、 逆变器、直流电流传感器、光伏I/O采集板以及光伏触摸屏；光伏组件受光照 产生电能流入光伏控制柜，经端子排、空气开关、第三继电器分别对蓄电池组 和负载供电，直流电流传感器获得光伏发电电流值，通过光伏I/O采集板进行 数据采集后，反馈在光伏触摸屏上，光伏触摸屏用于显示光伏发电电流值并调 节供电状态。

优选地，在室外进行实际环境光伏光热一体化实验实训时，拆卸模拟光 源，同时电加热器未工作，所述光伏供电装置可为所述光热应用装置及其本身 提供24V直流电源，满足光伏光热一体化实验实训系统的正常运行。

本发明的有益效果是:相对于现有技术，本装置具有以下优点：1.本专 利系统是结合了光伏系统和光热系统的独创案例，形成一套独立的不需外接电 源的光伏光热一体化系统；本专利系统装有滚轮，并且模拟光源可拆卸，可以 在室内进行模拟光伏光热一体化系统的实验，也可以移动到室外进行实际环境 光伏光热一体化系统的实验；2.本专利系统配备量角器和调节支架，可以精确 调节光伏组件的倾角，便于学生比较不同地区最佳倾角下的光伏供电状态，并 在最佳倾角下进行光伏供电系统的实验，与太阳最佳倾角的基本理论计算进行 对比；3.本专利系统具有模块化、可拆卸等特点，可用于光伏供电装置和光热 应用装置的安装、调试、运行、维护，学生可自主设计水系统和电气系统并且 完成连接；4.本专利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，学生可自主设计监控系统；5.本专利系统使用标准光伏组件 和太阳能平板集热器，完全体现实际光伏光热一体化系统，可以用于光伏光热 一体化系统的演示过程，便于学生整体熟识实际工程中的光伏光热一体化系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的后视图；

图3是本发明中A-A方向剖视图；

图4是本发明中B-B方向剖视图；

图5是本发明的仰视图；

图6是本发明中太阳能平板集热器的连接图；

图7是本发明中光热应用装置的电气原理图；

图8是本发明中光伏供电装置的电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1和 图3和图5和图6所示，一种可移动式光伏光热一体化实验实训系统，包括移 动框架2以及安装在所述移动框架上的光热应用装置和光伏供电装置；所述光 热应用装置包括第一模拟光源1、水箱3以及太阳能平板集热器4；所述第一模 拟光源倾斜固定在所述移动框架上，所述太阳能平板集热器设置在所述第一模 拟光源的下部并与所述移动框架固定，所述水箱固定在所述移动框架中；所述 太阳能平板集热器上设有进水管5和出水管6，所述进水管与所述水箱的进水口 连通，所述进水管上安装有电磁阀7，所述出水管与所述水箱的出水口连通，所述出水管上依次安装有直流水泵8、超声波热量表9、手动阀门10，所述超声波 热量表与所述手动阀门之间设有泄水口11。所述水箱中设有电加热器12。所述 水箱中设有液位传感器13。所述移动框架上设有光热控制柜14。移动框架上还 安装有开关盒15，开关盒和光热控制柜用于太阳能热利用系统的数据采集。

如图7所示，所述光热控制柜由整流桥16、变压器17、空气开关组18、 转换模块19、光热I/O采集板20、交流接触器21、指示灯22、第一继电器23、 第二继电器24以及光热触摸屏25组成；在室内进行模拟光伏光热一体化实验 实训时，220V交流电经开关盒为第一模拟光源、电加热器供电，220V交流电经 过空气开关到达变压器和整流桥变为24V直流电，为光热I/O采集板、第一继 电器的继电器线圈、第二继电器的继电器线圈、超声波热量表、液位传感器、 转换模块、光热触摸屏供电。所述光热I/O采集板用于采集所述液位传感器、 超声波热量表的数据，反馈给触摸屏，并通过第一继电器和第二继电器分别控 制所述电磁阀和直流水泵，通过所述交流接触器控制所述电加热器，实现对太 阳能热利用的监控，触摸屏用于实时监测各项数据并控制和切换各种状态。所 述超声波热量表使用M-BUS总线，而光热I/O采集板使用RS-485总线，通过转 换模块转换，再和光热I/O采集板通信。

水箱中的冷水经出水口流出水箱，经过手动阀门、超声波热量表、直流 水泵到达太阳能平板集热器。手动阀门为水系统总开关，超声波热量表采集流 量与流入太阳能平板集热器的水温，直流水泵驱动太阳能热利用系统的水循环。 太阳光或者第一模拟光源将太阳能平板集热器中的冷水加热成热水，从进水口 回到水箱，超声波热量表采集流出太阳能平板集热器的水温。水箱中配备通风 口，用于保证水箱中的压力平衡。液位传感器可以获得水箱中的水位数据，该 数据可以被光热I/O采集板采集，当水量过少时可打开电磁阀从冷水补水口补 水，当使用热水时可以打开泄水口，当太阳光不足或第一模拟光源不足时，可 以通过电加热器进行辅助加热。

在室内进行模拟光伏光热一体化实验实训时。220V交流电通过开关盒进 入光热控制柜，分别经过空气开关组、变压器、整流桥转换为24V直流电，24V 直流电经光热触摸屏开关到达超声波热量表、转换模块、光热触摸屏、液位传 感器及光热I/O采集板的24+G-端口，为以上设备供电。220V交流电通过空气 开关组、交流接触器为电加热器供电。220V交流电通过光热I/O采集板的 DO5+DO5-端口为交流接触器和指示灯供电。24V直流电通过光热I/O采集板的 DO3+DO3-端口为第一继电器供电，形成自锁并为电磁阀供电。24V直流电通过 光热I/O采集板的DO4+DO4-端口为第二继电器供电，形成自锁并为直流水泵供 电。

液位传感器获得的数据传输到光热I/O采集板的AI1+AI1-端口，当监 测水量过少时可通过光热I/O采集板的DO3+DO3-端口控制第一继电器闭合，形 成自锁为电磁阀供电，进行补水。当系统需要进行太阳能热利用水循环时，可 以通过光热I/O采集板的DO4+DO4-端口控制第二继电器闭合，形成自锁为直流 水泵供电，形成水循环。超声波热量表获得的数据经过转换模块的转换(M-bus 总线转换为RS-485总线)，传输到光热I/O采集板的RS485端口。当流出太阳 能平板集热器的温度过低时可以通过光热I/O采集板的DO5+DO5-端口控制交流 接触器闭合，同时指示灯亮，开启电加热器的加热功能为水系统辅助加热。

光热I/O采集板采集到的以上数据可以通过RS485端口反馈到光热触摸 屏25，实现对本专利装置的监控。

如图1和图2和图4所示，所述光伏供电装置包括第二模拟光源26、光 伏组件27以及量角器28，所述第二模拟光源位于所述光伏组件上方并安装在第 二模拟光源架支撑杆29上，所述第二模拟光源架支撑杆固定在所述可移动底座 上；所述光伏组件固定在光伏组件横向支撑杆30上，所述光伏组件横向支撑杆 安装在光伏组件旋转杆31上，所述光伏组件旋转杆与光伏组件竖向支撑杆32 上部铰接，所述光伏组件竖向支撑杆固定在所述可移动底座上，所述量角器安 装在所述光伏组件竖向支撑杆与所述光伏组件旋转杆之间，所述光伏组件竖向 支撑杆与所述光伏组件旋转杆之间设有调节支架33。

所述可移动底座上安装有光伏控制柜34以及蓄电池组35。所述蓄电池 组分为两组，每组由两块24V蓄电池并联组成，一组常规工作，另一组备用。

所述光伏控制柜包括熔断器、端子排、空气开关、第三继电器、逆变器、 直流电流传感器、光伏I/O采集板以及光伏触摸屏HMI；光伏组件受光照产生电 能流入光伏控制柜，经端子排、空气开关、第三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，在光伏I/O采集板中进 行数据采集，反馈在光伏触摸屏HMI上，光伏触摸屏HMI可用于显示并调节供 电状态。该专利装置的光伏I/O采集板自带CPU，可根据光伏触摸屏HMI指令或 预设自动程序控制相关电气元件。

蓄电池组分为两组，每组由两块24V蓄电池并联组成，一组常规工作， 另一组备用，蓄电池可获得光伏发电电能进行充电并为光热应用装置或负载供 电，蓄电池电压值也由光伏I/O采集板进行数据采集。光伏发电电能与蓄电池 放电电能经端子排到达空气开关(单极)，直接为光热应用装置供电，或继续经 继电器、逆变器升压逆变为220V交流电源给交流负载供电，该过程中由直流电 流传感器获得放电电流值，在光伏I/O采集板中进行数据采集，反馈在光伏触 摸屏HMI上，可用于显示并调节充电状态。光伏供电装置光伏I/O采集板自带 CPU，可根据光伏触摸屏HMI指令或预设自动程序控制相关电气元件。

光伏触摸屏HMI可直观地监控整个系统的运行。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。通过光伏触摸屏显示数据后，可以及时对可移动 式太阳能发电实验实训装置的系统参数进行调整。

所述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。所述第二模拟光源由一组500W投射灯组成。

如图8所示，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。所述光伏供电装置可为所述光热 应用装置及其本身提供24V直流电源。

24V直流电源分别通过光伏I/O采集板DO1+DO1-端口和光伏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直流电源通过光伏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为光伏触摸屏HMI和光伏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由光伏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光伏I/O采集板 AI1+AI1-端口，直流电流传感器BHBM2采集逆变器UI进入端电流到光伏I/O 采集板AI3+AI3-端口，光伏I/O采集板AI2+AI2-端口采集蓄电池充放电电压 值。光伏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。光伏I/O采集板通过DO3+DO13-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。光伏I/O采集板通过RS485端口将获得的数据反馈给光伏触摸屏HMI。

光伏触摸屏HMI可直观地监控整个系统的运行。可以获取光伏组件的发 电电流值、蓄电池的充放电电流值、逆变器输入端的电流值和蓄电池的充放电 电压值并显示，也可以控制蓄电池的充放电状态。获得显示数据后，可以及时 对可移动式太阳能发电实验实训装置的系统参数进行调整，并进行相关实验。

本系统可以在无任何外接电源的情况下，在室外进行实际光伏供电与光 热应用相关的实验实训。

通过本实验实训系统，可以进行以下实验实训项目：

1.光伏供电装置光伏组件与支架，光热应用装置平板集热器及水箱的安装

2.光伏供电装置和光热应用装置电气系统的设计、安装与调试

3.光伏供电装置和光热应用装置监控系统的设计、编程与调试

4.光热应用装置水系统的设计、安装与调试

5.光伏供电装置蓄电池的充放电状态调试

6.光伏供电装置和光热应用装置的性能测试(包括光伏供电装置的开路电压、 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，光热应用装 置的温度、热量等)

7.实际光伏供电装置和光热应用装置的工程演示

8.实际光伏供电装置与模拟光伏供电装置的对比测试

9.实际光热应用装置与模拟光热应用装置的对比测试

10.光伏光热一体化系统的自主设计、安装、编程与调试

11.不同地区理论与实际光伏供电装置最佳倾角的对比实验

12.光伏供电装置的追日实验

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。