光电系统及应用实验指导书

《光电系统及应用》实验指导书（电科专业）电子信息学院1实验一光伏系统控制电路的设计与制作实验太阳能光电系统主要由太阳电池板、蓄电池、控制器（也称调整器）、逆变器等组成，目的是为负载提供用电电能。由于太阳电池板所接收的光能是不恒定的、不连续的（只有白天有阳光时才有电能输出），因此在独立太阳能光电系统中，必须采用蓄电池来储存能量，使之输出较稳定、较连续的电能。即使是使用较廉价的铅酸蓄电池，其投资在光电系统中也占有较大的比重。而在独立太阳能光电系统中，蓄电池的工作方式主要是以充放电的方式进行，以一天或几天为循环周期。过度的充电和过度的放电都将大大缩短蓄电池的寿命。在光电系统中，使用寿命最短、维修费用最高、故障率最多的部件就是蓄电池。光伏充放电控制器是光伏发电系统中配合蓄电池特性，对蓄电池实施充电与放电控制的设备。为了最大限度延长蓄电池使用寿命，充放电控制器应对蓄电池进行有效的充电、防止过度充电或过度放电。光伏发电系统的蓄电池充放电控制，比其他应用场合充放电的控制要困难，因为光伏发电系统所供给的电力带有很大的不确定因素，同时运行也很不稳定。蓄电池自身的充电和放电特性不是一成不变的，它与蓄电池的使用过程及蓄电池的新旧程度有关，光伏发电系统由于受环境影响，蓄电池的使用不会像其他应用那样有稳定的充/放电环境，光伏发电系统中广泛使用的是无记忆特性的铅酸蓄电池，但铅酸蓄电池充/放电如果不当，则很容易造成损坏，要有较好的充放电控制器予以配合。另外，铅酸蓄电池对工作环境要求也较高，当工作环境从2O℃上升到30℃时，其使用寿命将缩短25%，当工作温度环境降至一10℃时，已放电的蓄电池中的电解液会结冰并损毁。因此，设计一个性能优良的光伏系统控制电路非常重要。一、实验目的1．掌握光伏系统控制电路的工作原理。2．设计制作光伏系统蓄电池充放电控制电路。二、实验原理系统控制器应具有以下主要功能：⑴.将来自太阳电池板的电能直接或通过逆变器向家用电器供电，同时将多余的电能储到蓄电池中，以备太阳能电力不足时（如夜间）对家用电器供电。⑵.为防止蓄电池过充电，保护蓄电池的循环充放电性能，当蓄电池出现过充电时，能及时切断充电回路；并能按照预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。⑶.提供蓄电池对各种家用电器的供电通路。为确保蓄电池的正常使用寿命，当蓄电池出现过放电时能及时切断放电回路；当蓄电池再次充电后，又能自动恢复供电。⑷.当用电器发生故障或短路时，能自动保护控制器以及系统安全。⑸.具有防反充功能。当入射光能弱时有可能出现蓄电池电压超过太阳电池板的输入电压，这时控制器应能防止蓄电池电能反向输入到太阳电池板，以避免损坏太阳电池板。控制器除了作为太阳电池板、蓄电池和负载之间的桥梁外，最重要的就是要最大限度地发挥系统的作用，尽可能延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。因此，在控制器中必须要设计蓄电池过充电保护电路、过放电保护电路、负载过流保护电路和防反充保护电路等。随着技术的不断发展，对控制器的功能要求也越来越高。如蓄电池充电时，内部的电化学反应与环境温度有着密切关系。环境温度越高，电化学反应越激烈,则蓄电池过充电保护阈值就要随之降低，即要求蓄电池过充电保护阈值随着环境温度的变化而变化。因此，要求对过充电保护阈值进行温度补偿。为了防止蓄电池极板的铅化现象，近来发展了自动均衡充电技术。每隔一定的时间间隔（如一个月），控制器将自动对蓄电池进行均衡充电，以延长蓄电池的使用寿命。为了避免因太阳电池板或蓄电池正负极性接反而损坏控制器，控制器还设计有防极性接反保护电路。此外，为了使用户能对控制器的工作2状态一目了然，还需设计一些指示电路，如蓄电池电压指示、充电指示、过充电指示、过放电指示以及过流指示等。图1表示太阳能光电系统控制器框图。在控制器中，蓄电池充、放电保护电路是设计的关键。1.蓄电池充电保护电路蓄电池充电保护电路的主要功能就是保护蓄电池避免过充电。其保护方式根据开关元件在电路中的连接方式不同可分为串联型保护电路和并联型保电路。1.1串联型充电保护电路串联型充电保护电路的框图如图2所示。控制电路一般由集成电路构成。开关元件通常采用开关三极管或继电器。当取样电路检测到蓄电池电压达到预先设定的过充保护值时，控制电路输出信号，开关元件动作，切断充电回路。当蓄电池电压回复到预定的恢复充电值时，控制电路输出信号，开关元件再次动作接通充电回路，太阳电池板再次对蓄电池充电。温度补偿电路根据环境温度的不同自动调整过充电保护阈值。.1.2并联型充电保护电路并联型充电保护电路框图如图3所示。太阳电池板过充电保护蓄电池过流保护电路家用电器图1太阳能光电系统控制器框图防反充保护显示电路温度补偿电路过放电保护显示电路防反充二极管开关元件取样电路蓄电池显示电路电路温度补偿电路图2串联型充电保护电路框图太阳电池板控制电路防反接保护电路3并联型充电保护电路中的开关元件是并联在太阳电池两端，因此可解决串联型充电保护电路中充电时开关元件要损耗部分功率的问题。当蓄电池处于充电状态时，开关元件断开，不消耗功率。当蓄电池电压达到预定的过充保护电压值时，控制电路输出信号，开关元件接通，太阳电池板的能量通过开关元件释放，从而停止对蓄电池的充电。当蓄电池电压回复到预定的恢复充电值时，控制电路输出信号，开关元件断开，太阳电池恢复对蓄电池的充电。1.3脉宽调制型充电保护电路以上所介绍的充电保护电路中开关元件是处于开、关工作状态。为了能既有效防止过充电，又可充分利用太阳能对蓄电池充电，近年来发展了脉宽调制充电保护电路，以并联型保护电路方式为主。并联型脉宽调制充电保护电路框图仍可参考图6。在脉宽调制型充电保护电路中，控制电路输出的是脉冲宽度随着蓄电池电压而变化的脉冲信号。随着蓄电池电压的升高，控制电路将会输出脉冲波，太阳电池板的部分能量将会通过开关元件释放，从而减少了对蓄电池充电的能量。随着蓄电池电压的进一步升高，通过开关元件所释放的能量越来越多，对蓄电池充电的能量越来越少，直至涓流充电。一旦蓄电池电压下降，脉冲宽度随之变窄，又有较多能量可输入到蓄电池中。采用这种电路的优点是既能保护蓄电池，又能充分利用能量，但是电路较为复杂。2.2.1蓄电池放电保护电路蓄电池放电保护电路框图如图4所示。当取样电路检测到蓄电池电压降至预定的过放电保护电压值时，控制电路输出信号，开关元件动作，切断蓄电池与用电器的通路，停止对用电器提供电能。当蓄电池再次充电后，其电压上升到预定的恢复供电值时，控制电路输出信号，接通开关元件，恢复供电。开关元件可采用开关三极管或继电器。采用继电器的优点是输出电压损耗较小，但继电器吸合时，继电器线圈要消耗一定的能量。采用开关三极管，由于管压降使输出电压有所损失，同时，如果用电器的功率较大，则三极管上的功耗也随之增大。防反充二极管控制电路取样电路蓄电池温度补偿电路图3并联型充电保护电路框图显示电路开关元件太阳电池板防反接保护电路蓄电池显示电路电路取样电路图4蓄电池放电保护电路框图控制电路防反接保护电路过流保护开关元件用电器DC—AC逆变器4三、实验仪器1.直流电源；2.示波器；3.制作光伏系统蓄电池充放电控制电路所需元器件。四、实验内容及步骤1、设计光伏系统控制电路：根据光伏系统控制电路原理图设计一个具有蓄电池充放电保护功能的控制电路。主控电路可用运算放大器、555集成电路或单片机等，关键是要控制电压要有回差，形成施密特触发器。如图5所示。参考电路如图6所示。FUSEVNE555太阳电池板用电器R1R2R3R4R5R7R8R6NE555R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R22R23R24R26R21D10R25＋＋＋＋＋C1C2C3C4C5C6＋D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13T1T2T3T4T512648351263548图5555构成的施密特触发器图6蓄电池充放电控制电路图52、控制器性能指标参数：控制器的主要性能指标如下：最大充电电流：自由设定。输出：12V直流电压（采用12V蓄电池），输出电流自由设定。过充保护电压值：14.3V(密封铅酸蓄电池)充电恢复电压：13.6V过放保护电压：11.0V恢复供电电压：12.6V3、制作控制电路线路板：按所设计的电路图，制作PCB板。焊接合适参数的元器件并按所给的指标进行调试。4、撰写实验报告、提交实物撰写实验报告，画出你所设计的电路图，简述工作原理。列表给出你最后调试得到的结果。最后分析你所得到的结果是否满足设计和实际的需要。6实验二光伏系统设计一、实验目的1.掌握光伏系统设计的基本原理。2.按给定地区的气象条件和用户负载要求，设计所需的太阳电池组件和蓄电池的容量，构建光伏系统。二、实验原理太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。1.独立光伏系统软件设计光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。太阳电池组件数量和蓄电池容量是光伏系统软件设计的关键部分。(1)设计的基本原理太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求。设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。但所设计的太阳电池组件在一年中的其他时候就会远远超过实际所需，成本高昂。设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好的方案。(2)蓄电池设计方法蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。在进行蓄电池设计时，我们需要引人一个不可缺少的参数:自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关:负载对电源的要求程度;光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。①基本公式第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择7需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细约有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度(DOD);如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式如下：自给天数日平均负载蓄电池容量最大放电深度确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来