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太阳能发电测试系统实验指导书咸阳职业技术学院2014年06月1目录一、太阳能发电系统简介二、太阳能发电系统实验装置设计方案三、实验一：太阳能光伏板的发电原理实验四、实验二：环境对光伏转化影响实验五、实验三光伏系统中太阳能电池直接负载实验六、实验四太阳能光伏板能量转换实验七、实验五：太阳能控制器工作原理实验八、实验六光伏控制器充放电保护实验力、实验七控制器的各项保护功能实验十、实验八：离网逆变器工作原理实验十一、实验九：独立光伏发电系统2一、太阳能发电系统简介太阳能组件吸收阳光，然后转换为电能，通过控制系统储存于蓄电池中，当你需要的时候再通过控制（逆变）系统转换为你需要的电能！太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三）蓄电池：一般为铅酸电池或胶体电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。太阳能发电系统的设计需要考虑的因素：1、太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？2、系统的负载功率多大？3、系统的输出电压是多少，直流还是交流？4、系统每天需要工作多少小时？5、如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？6、负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？7、系统需求的数量。3二、太阳能发电系统实验装置设计方案1、太阳能发电系统实验装置的外观和连接方式太阳能发电系统的工作台为实验桌，其尺寸设计为1600(长)×800(宽)×760(高)，台面为实木板。所有的实验设备都摆放在工作台面上，各个设备的连接线都摆放在实验桌上,学生根据具体实验项目的要求选择不同的连接线自主进行连线，以达到不同实验的目的。具体工作台上的设备布置如下图所示。一、太阳能发电系统4二、实验装置的主要设备清单序号设备数量序号设备数量1太阳能板：30W/14V1块9220V/10W节能灯1个2人工光源：300W卤素灯1个1012V/10W直流风扇1个33A/100欧姆的滑动变阻器1个（暂无）11220V/11W交流风扇1个410A12V/24VPV控制器：1个122P空开4个5双路可调直流电源（3A）1台13数字电流表4个6铅酸蓄电池：12V/20AH1个14数字电压表4个7500W/24V离网逆变器1个15接线端子若干812V/10WLED灯1个165实验一：太阳能光伏板的发电原理实验一、实验目的：验证太阳能光伏组件在光照条件下，由光能转化为电能。二、实验设备：序号型号备注1人工光源学生自已连线2太阳能控制系统实验科研平台已配好。3不透光、足够大的遮挡板自备三、实验原理太阳能电池是一种以PN结上接收太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将太阳光的辐射能量转化为电能的光电半导体薄片,它只要一照到光,瞬间就可输出电压及电流.其原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，获得超脱原子束缚的能量，由此在半导体材料内形成非平衡状态的电子-空穴对。少数电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般大多数的少数载流子由于P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移通过P-N结到达对方区域，对外形成与P-N势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通电路就有电能对外输出。太阳能电池是由P型半导体和N型半导体结合而成,N型半导体中含有较多的空穴,而P型半导体中含有较多的电子。当P型和N型半导体结合时在结合处会形成势垒电势。如图1.1所示：当电池板在受光照过程中,带正电的空穴往P型区漂移,带负电子的电子往N型区漂移,PN结形成与势垒电场相反的光电电场，并随着电子和空穴不断移动而增强。如图1.2所示。6一段时间后，电子和空穴的漂移和自由扩散达到平衡，光电电场最终达到饱和。在接上连线和负载后,电子从电池板的N型区流出，通过负载到P型区，就形成电流.如图1.3所示。四、实验步骤：1、找到光源模拟跟踪控制系统见下图操作面板，按照该系统使用说明书，启动光源，将光照射到太阳能电池板上后。2、在太阳能控制系统面板上，找开蓄电池开关3、此时观察直流单元,观测光伏输入电压，并作出记录；4、使用不透光的遮挡板完全遮挡太阳能电池板，然后再一次观测太阳能电池板输出直流电压值，并作出记录；5、调整光源位置，固定电池板位置，观察电压变化，并作出记录，6、研究光伏电池板参数，见电池板后铭牌，并记录下来。7六、实验方法：连接如下图所示1、各部件之间的连线是由学生完成连接，其他的连线在实验台上已经连好的。2、卤素灯用来模拟太阳光，通过卤素灯的照射可以使得太阳能电池板产生电能，通过数字电流表和电压表就能读出相应的电流，电压值。3、实验结果：通过卤素灯的照射，读出太阳能电池的电流表、太阳能电池电流表上的读数，表示光能到电能的转换。序号项目实验结果序号项目实验结果光伏电压光伏电流光伏电压光伏电流1光源位置1：6自然光照射：2光源位置2：7手电筒照射：3光源位置3：849其他记录方阵面积太阳能功率开路电压最佳工作电压最佳工作电流短路电流峰值功率实验总结8实验二：环境对光伏转化影响实验一、实验目的：了解外部环境对太阳能电池发电的影响；理解光照强度和角度对太阳能电池发电的影响；二、实验设备序号型号备注1光源模拟跟踪装置实验科研平台已配好。2太阳能控制系统实验科研平台已配好。3不透光、足够大的遮挡板自备三、实验原理：光伏电池工作环境多种因素如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池板的性能指标带来影响，而温度和光照强度的影响往往是同时存在的。1.光谱响应绝对光谱响应指当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应短路电流变化曲线。分析光伏电池的光谱响应，通常讨论其相对光谱响应，定义为：当各种波长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其值变化曲线即为相对光谱响应。下图为某一光伏电池的相对光谱响应曲线。从曲线可以看出能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在0.4～1.2μm左右，最大灵敏度在0.8～0.95μm之间。92.温度特性和光照特性光伏电池的温度特性指的是，光伏电池工作环境的温度和电池吸收光子之后是自身温度升高对电池性能的影响；由于光伏电池材料内部的很多参数都是温度和光照强度的函数，如本证载流子浓度、载流子的扩散长度、光子吸收系数等，所以反映到光照特性指的是硅型光伏电池的电气性能和光照强度之间的关系。四、实验步骤：1、找到光源模拟跟踪控制系统见下图操作面板，按照该系统使用说明书，启动光源，将光照射到太阳能电池板上后。2、在太阳能控制系统面板上，保持蓄电池开关。3、此时观察,观测光伏输入电压，并作出记录；4、转动太阳能电池板的支架，改变模拟太阳光线与太阳能电池板之间的入射角度，测得在各角度时，太阳能电池板输出电压填入下表：5、选择足够大的几种遮光度不同的材料，如白纸、布、塑料膜等，分别用所选择的材料遮挡整块电池板，记录每一种情况下太阳能电池板输出的端电压；6、用同一遮挡板遮挡太阳能电池板，按照被遮挡部分的面积增加或减小的顺序，测量并记录太阳能电池板输出的电压值；（不能长时间只对某一部分太阳能电池板进行遮挡）。注：环境对太阳能组件的影响只要有：光强大小的影响，温度的影响，AM光段的影响（AM：光线通过大气的实际距离比上大气的垂直厚度），由于现有的条件AM光段的影响在这个实验中无法完成，温度的影响实验则必须需要一个小型的可调温度箱。所以在现有的条件下只能做光强对太阳能组件的影响10五、实验方法：连线如上图（图一）所示通过调节卤素灯的光亮度和转动卤素灯的照射角度来改变太阳能电池组件接收到的光子的多少，从而使得太阳能电池组件的产生的电能大小发生改变实验结果：分别调节卤素灯的光强和卤素灯的照射角度，通过读取太阳能电池板相关电压电流表上的数据得到实验结果序号光源位置光源角度实验结果太阳能电压太阳能电压1光源位置1：光源角度1：光源角度2：2光源位置2：光源角度1：光源角度2：3光源位置3：光源角度1：光源角度2：4电池板遮挡0%光源位置：5电池板遮挡25%6电池板遮挡50%7电池板遮挡100%8白纸9布10塑料膜其他记录太阳能功率开路电压方阵面积最佳工作电压最佳工作电流短路电流峰值功率实验总结五、注意事项1.要使用足够大的遮挡板，能够完全覆盖整个电池板；本实验也可以选择在多云等日照情况变化较剧烈的天气；2.使用同一块遮挡板改变其遮挡面积的试验中，要尽快测得3～5组数据，不可长时间使某一部分处于遮挡状态。11实验三光伏系统中太阳能电池直接负载实验(直接在电池板上实现VI曲线)一、实验目的：了解太阳能电池板的电压电流输出特性；二、实验设备：序号型号备注1光源模拟跟踪装置实验科研平台已配好2太阳能控制系统实验科研平台已配好3可调电阻器实验科研平台已配好三、实验原理：光伏组件对于不同的负载呈现出不同的外特性。如图所示，无外加偏压的光伏电池电路在不同光照强度（L1L2）下的两条伏安特性曲线。由图可见，对于同一个负载RL，在不同的光照下，输出可以恒定在恒流点P1，也可以恒定在恒压点P2。而在同一光照强度下，改变负载大小，也可以使输出改变成恒流形式或恒压形式P3。由上述可知，光伏电池的输出电压和输出电流都和负载电阻RL大小有关。如图b光伏电池各个参数与负载之间的关系线所示，光伏电池的输出电流随负载的增大而非线性减小，光伏电池的输出电压随负载的的增大而非线性增大，而输出功率则是有唯一最大值和极大值的曲线。只有在负载匹配的情况下RL=RM，才能够获得最大输出功率，这时光电转换效率η最高。图a光伏电池的伏安特性曲线12图b光伏电池输出特性曲线实际应用中，光伏电池常常是与蓄电池混合相符在供电的。这个混和供电系统可等效与一个光伏电池带负载、带偏压的电路，其等效电路和负载特性曲线如下面的图c图d图e所示。图c光伏电池有负载和有偏压时的等效电路图d光伏有负载有偏压的伏安特性图e光伏有负载有偏压的蓄电池充满电伏安特性四、实验步骤：1、找到光源模拟跟踪控制系统见下图操作面板，按照该系统使用说明书，启动光源，将光照射到太阳能电池板上后。2、在太阳能控制系统面板上，打开太阳能开关和蓄电池开关。3、时观察直流单元观测光伏输入电压光伏输出电流，并作出记录；4调节电阻器，观察光伏输入电流，电压表，并记录数据。135、该操作相当于再将负载直接接在太阳能电池板，记录电压值，对比太阳能电池板端电压的变化情况；6、旋动旋钮改变负载值，测量每一个负载下太阳能电池板输出电压和电流值，得到太阳能电池板输出功率，分析负载对太阳能电池板的影响。选择适当的可改变的功率负载，直接连接到太阳能电池板的输出端子上，当负载大小改变时，记录输出的电压和电流值：备注：监于现场电阻无法测量，以太阳能电压每2V为一格，来做输入变化给定，其他数据为记录数据编号负载值电压值（V）电流值功率值1未接入负载022344658610712描点化曲线五、注意事项1.太阳能电池板输出电压和功率负载在可承受电压和功率范围内，避免损坏负载或出现意外状况；2.负载投切过程最好通过空开等完成，不要带电进行接线，以免发生危险！14实验四