太阳能光伏发电实验指导书

太 阳 能 光 伏 发 电实验指导书郑 州 科 技 学 院电 子 信 息 工 程 教 研 室 编目 录实验一 太阳能电池板特性测试 1实验二 太阳能电池板的串联、并 联特性测试 4实验三 负载特性测试实验 7实验四 环境对太阳能电池光伏转换的影响实验 10实验五 太阳能电池板转换效率测量实验 13实验六 太阳能应用实验 16实验七 太阳能光控跟踪实验 19实验八 太阳能蓄电池充放电控制实验 21实验九 太阳能光伏逆变器实验 24实验十 太阳能路灯的设计 271实验一 太阳能电池板特性测试一、实验目的1.了解和掌握太阳能电池板原理及应用。2.理解太阳能电池的基本特性和主要参数，掌握测量太阳能电池的基本特性和主要参数的基本原理和基本方法。二、实验原理1.开路电压( )ocU电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。一个基本的带电源、联接导体，负载的电路，如果某处开路，断开两点之间的电压为开路电压。电路开路时我们可理解为就是在开路处接入了一个无穷大的电阻，不可质疑，这个无穷大的电阻是串联于这个电路中的，根据串联电路中电阻的分压公式，这个无穷大电阻两端的分电压将为电路中的最高电压即电源电压。所以线路开路时开路电压一般表现为电源电压。2.短路电流( )scI短路电流是由于故障或连接错误而在电路中造成短路时所产生的过电流。短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏周围设备和伤害周围人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，特别是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的突然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。3.功率曲线（ ）outP太阳能电池板的输出电压与输出电流的乘积即为太阳能电池板的输出功率，用表示。把测得的不同组数据所获得的输出功率用曲线连接起来就得到太阳outttPUI能电池板的功率曲线，通过功率曲线还可以大致地估计太阳能电池板的最大输出功率。三、实验仪器设备及材料表 1-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.太阳能电池板开路电压测试（1）在实验台上按照图 1-1 连接好实验导线。图 1-1 太阳能电池板开路电压测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为太阳能电池2板的“最大开路电压” 。2.太阳能电池板短路电流测试（1）在实验台上按照图 1-2 连接好实验导线。图 1-2 太阳能电池板短路电流测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为太阳能电池板的“最大短路电流” 。3.太阳能电池板 I-V 特性测试（1）在实验台上按照图 1-3 连接好实验导线。图 1-3 太阳能电池板 I-V 特性测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表 1-2 中。表 1-2 太阳能电池板 I-V 特性测试数据记录表电阻值（欧） 0 10 50 100 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。4.太阳能电池板的暗伏安特性测试实验（1）在实验台上按照图 1-4 连接好实验导线。3图 1-4 太阳能电池板的暗伏安特性测试示意图（2）用遮光板完全遮挡住太阳能电池板的表面，将电阻箱的阻值调节到 50Ω。（3）将“可调稳压电源”的电压调至 0V，然后逐渐增大输出电压，每隔 0.5V 记录一次电流值于下表中。（4）将“可调稳压电源”的电压调至 0V，对调“可调稳压电源”输出接口的红黑线。即给太阳能电池板加反向电压，逐渐增大反向输出电压，每隔 0.5V 记录一次电流值于表 1-3 中。表 1-3 太阳能电池板的暗伏安特性测试数据记录表电压（V）3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3电流（mA）（5）根据表格电压电流值画出太阳能电池的暗伏安特性曲线图。五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.在绘制功率曲线时应多测几组数据。4.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题1.太阳能电池的基本特性和主要参数有哪些？2.太阳能电池在使用时能否短路？为什么？3.暗条件下的太阳能电池相当于电池还是负载？七、实验报告要求完成相关实验数据的测量和计算，绘制相关的曲线图，并注意标注实验数据测定的条件。4实验二 太阳能电池板的串联、并联特性测试实验一、实验目的1.了解太阳能电池的串联开路电压和短路电流特性。2.了解太阳能电池的并联开路电压和短路电流特性。二、实验原理太阳电池组件则是将太阳单体电池进行串、并联组合而构成的一个整体。组件的电性能将随单体电池的串、并联数量而与单体电池电性能产生量的变化。串联时电流相等，电压叠加，串联后的伏安特性如图 2-1 所示，要提升电压需要串联，缺点是电流值趋向于最小电流的电池板。图 2-1 太阳能电池串联特性并联时电流叠加，电压相等并联后的伏安特性如图 2-2 所示。提高功率一般需要并联，缺点是电压趋向于最小电压的电池板。图 2-2 太阳能电池并联特性电池板的连接方式不是优缺点来决定的，它是根据负载的电压决定串联个数，根据负载功率决定并联个数。三、实验仪器设备及材料表 2-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.太阳能电池板的串联开路电压测试（1）在实验台上按照图 2-3 连接好实验导线。5图 2-3 太阳能电池板的串联开路电压测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板串联的最大“开路电压” 。2.太阳能电池板的串联短路电流测试（1）在实验台上按照图 2-4 连接好实验导线。图 2-4 太阳能电池板的串联短路电流测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板串联的最大“短路电流” 。3.太阳能电池板的串联 I-V 特性测试（1）将四块太阳能电池板串联后按照以下步骤测试数据。（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 2-2 中。表 2-2 太阳能电池板的串联 I-V 特性测试数据记录表电阻值（欧） 0 10 50 100 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池串联的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。4.太阳能电池板的并联开路电压测试（1）在实验台上按照图 2-5 连接好实验导线。图 2-5 太阳能电池板的并联开路电压测试示意图6（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电压表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板并联的最大“开路电压” 。5.太阳能电池板的并联短路电流测试（1）在实验台上按照图 2-6 连接好实验导线。图 2-6 太阳能电池板的并联短路电流测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察实验台上的“充电电流表”的值，记录下其中的最大值即为四块太阳能电池板并联的最大“短路电流” 。6.太阳能电池板的并联 I-V 特性测试（1）将四块太阳能电池板并联后按照以下步骤测试数据。（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 2-3 中。表 2-3 太阳能电池板的并联 I-V 特性测试数据记录表电阻值（欧） 0 10 50 100 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）（4）根据表格电压电流值画出太阳能电池并联后的伏安特性曲线图，为了更好的描述太阳能电池输出伏安特性曲线，可以再适当增加测试几组数据。五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题1.太阳能电池串联时，如果其中一个太阳能电池的光照强度较低，那么输出的电压和电流将如何变化。2.太阳能电池并联时，如果其中一个太阳能电池的光照强度较低，那么输出的电压和电流将如何变化。七、实验报告要求完成相关实验数据的测量，并注意标注实验数据测定的条件。7实验三 负载特性测试实验一、实验目的了解太阳能电池板的直接负载特性二、实验原理在没有光照时太阳能电池可视为一个理想二极管，在一定的光照下太阳能电池的输出电压与输出电流的关系图 3-1 所示。图 3-1 太阳能电池输出电压与输出电流的关系图当输出端接负载电阻时，则有对应的端电压、负载电流和输出功率；负载电阻不同，对应的端电压、负载电流和输出功率也不同。只有当 R 为某一定值时，输出功率最大，这就是最佳负载电阻，此时能量转换效率最高。在一些应用中，必须考虑最佳负载电阻的选取。最佳负载电阻取决于光电池的内阻，用测定最大输出功率所对应的最佳负载电阻可得到光电池的内阻值，此值一般只有几十欧姆。最佳负载电阻的大小和光照面积及入射光强有关。输出电压、输出电流、输出功率与负载电阻的关系如图 3-2 所示。图 3-2 输出电压、输出电流、输出功率与负载电阻的关系图一定光照条件下光电池的伏安特性曲线如图 3-3 所示。8图 3-3 一定光照条件下光电池的伏安特性曲线三、实验仪器设备及材料表 3-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.载特性测试实验（1）在实验台上按照图 3-4 连接好实验导线。图 3-4 载特性测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）仔细观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，并计算出每种直流负载的功率。（4）断开 DC12V 风扇的两根电源线，分别接入蜂鸣器、电机、交通灯、LED 灯等不同的负载，观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，并计算出每种直流负载的功率。表 3-2 载特性测试记录表12V 直流负载 风扇 蜂鸣器 电机 交通灯 LED 灯电流（mA）电压（V）功率 W2.太阳能电池板最大输出功率计算熟练掌握最大输出功率公式如下：Pmax=Vmax×Imax（2）将实验表格中的电压数据乘以电流数据再除以 1000，得出最大数据即为太阳能电池板的最大输出功率。（3）根据表格电压电流值画出太阳能电池的最大输出功率曲线图。3.太阳能电池组件输出特性测试实验（1）在实验台上按照图 3-5 连接好实验导线。9图 3-5 太阳能电池组件输出特性测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 3-3 中。表 3-3 太阳能电池组件输出特性测试记录表电阻值（欧） 0 50 100 200 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）功率 mW（4）根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率。4.太阳能可变阻抗负载实验（1）了解太阳能电池的电流－电压特性。（2）了解太阳能电池板的伏安特性曲线概念（1）实验台上按照图 3-6 连接好实验导线。图 3-6 太阳能可变阻抗负载测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 3-4 中。表 3-4 太阳能可变阻抗负载测试记录表电阻值（欧） 50 100 200 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）功率（W）（4）表格中的功率最大值即为太阳能电池板的最大输出功率。五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题101.负载电阻对太阳能电池的输出特性有何影响？2.什么是最佳负载电阻？七、实验报告要求完成相关实验数据的测量和计算，并注意标注实验数据测定的条件。11实验四 环境对太阳能电池光伏转换的影响实验一、实验目的1.了解影响太阳能电池发电的环境因素2.掌握光强对能量转换的影响3.掌握温度对能量转换的影响二、实验原理温度因素也影响着太阳能电池的性能。当温度升高时其开路电压下降呈线性关系。不同的材料的太阳能电池，都有着自己的工作温度范围。而对于某一个太阳能电池来讲，在不同的温度时，为得到最大的输出功率所需的最佳负载也不同。阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色(波长) 不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱特性。光谱特性通常用收集效率来表示;所谓收集效率就是用百分数(%) 来表示一单位的光(一个光子)入射到太阳能电池上，产生多少电子 (和空穴)。一般而言，一个光子产生的电子(和空穴)数目是小于 1 的。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱特性。对于太阳能电池而言在相同的温度下，更高的光照强度增强产生的电流也就越大，但不同的光照强度对电压的变化影响很小。相同日照强度下，温度变化对 I-V 曲线的影响非常有限。太阳能电池在日照下能把太阳能转化为电能，但是具体能转化多少电能不仅取决于其自身的材料并且受跟于客观条件。三、实验仪器设备及材料表 4-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 遮光板 白、黄、红、紫 每种各 1 块3 照度计 14 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系（1）在实验台上按照图 4-1 连接好实验导线。图 4-1 太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系测试示意图（2）在暗箱中（用遮光罩挡光） ，打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”开关，取水平距离光强作为标准光照强度，开启触摸屏的电源开关，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度 J 和“充电电压表”的电压值记录于下表；（3）打开“模拟光源控制单元”里面“午日”开关，关闭“跟踪系统电源开关” ，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度 J0 和“充电电压表”的电压值记录于下表；（4）打开“模拟光源控制单元”里面“夕日”开关，关闭“跟踪系统电源开关” ，从实验台中的触摸屏的右下角读出电池板的光照强度 J1 和“充电电压表”的电压值记录表 4-2 中；12表 4-2 太阳能电池板开路电压与相对光强的函数关系测试数据记录表模拟光源 晨日 午日 夕日光功率（W ）光照度（LUX）短路电流（Isc ）（5）比较太阳能电池接收到相对光强度 不同值时，求出开路电压（Voc ）与相0J对光强度 J/J0 之间近似函数关系。2.太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系（1）在实验台上按照图 4-2 连接好实验导线。图 4-2 太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系测试示意图（2）在暗箱中（用遮光罩挡光） ，打开“模拟光源控制单元”里面“晨日”开关，取水平距离光强作为标准光照强度，开启触摸屏的电源开关，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度 J 和“充电电流表”的电流值记录于下表；（3）打开“模拟光源控制单元”里面“午日”开关，关闭“跟踪系统电源开关” ，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度 J0 和“充电电流表”的电流值记录于下表；（4）打开“模拟光源控制单元”里面“夕日”开关，关闭“跟踪系统电源开关” ，从实验台中的触摸屏右下角读出电池板的光照强度 J1 和“充电电流表”的电流值记录表 4-3中；（5）比较太阳能电池接收到相对光强度 不同值时，求出开路电压（Isc ）与相对0J光强度 J/J0 之间近似函数关系。表 4-3 太阳能电池板短路电流与相对光强的函数关系测试记录表3.太阳能电池功率与相对光强的函数关系（1）连接好模型和实验箱之间的三根电缆线。（2）在实验台上按照图 4-3 连接好实验导线。模拟光源 晨日 午日 夕日光功率（W ）光照度（LUX）短路电流 mA（Isc）13图 4-3 太阳能电池功率与相对光强的函数关系测试示意图（3）将“充电电压表”调节至“DC200mA”档，将“充电电压表”调节至“DC20V”档。（4）打开实验箱左下角的“总电源”开关，顺时针扭动开启“光源”里面右边的旋钮开关。（5）将太阳能电池板固定在某一刻度，记录下此时的电流、电压值。用手挡住灯光，再记录下此时的电流、电压值与之前对比。这就证明光照度对光伏转换的影响。（6）用照度计测量每个距离下的光强值和实验箱中的温度表的温度值记录在表 4-4 中。表 4-4 用照度计测量的数据记录表距离（cm） 80 70 60 50 40 30 20 10光照度（ LUX）温度（℃）电流（mA）电压（V）4.太阳能电池光谱特性测试实验（1）在实验台上按照图 4-4 连接好实验导线。图 4-4 太阳能电池光谱特性测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）用自备的不同颜色遮光板挡住其中一块电池板或遮住投光灯，更换不同颜色的遮光板，观察电流、电压表的数值并记录于表 4-5 中。（4）计算出每种遮光板挡住光源后的功率，并与不用遮光板的功率进行对比。14表 4-5 太阳能电池光谱特性测试数据记录表遮光板 无遮光板 白板 红板 黄板 紫板电流（mA）电压（V）功率 mW五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题1.什么温度条件下有利于太阳能发电？2.哪种单色光太阳能电池板的输出功率最大？七、实验报告要求（1）设计不同环境，改变太阳能电池板的光强和温度，在变化的环境下测量其电流、电压和输出功率。（2）找出影响太阳能板光伏转换的环境因素，并定性说明和定量测量。（3）在不同光强和温度下，绘制电流－电压曲线。15实验五 太阳能电池板转换效率测量实验一、实验目的1.了解太阳能电池板的转换效率特性。2.了解电池板的转换效率 ηs(%)概念。3.了解太阳能电池板的转换效率。二、实验原理1.太阳能电池板的转换效率太阳能电池的转换效率（ ）指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。采用一定功率密度的太阳光照射电池，电池吸收光子以后会激发材料产生载流子，对电池性能有贡献的载流子最终要被电极收集，自然在收集的同时会伴有电流、电压特性，也就是对应一个输出功率，那么，用产生的这个功率除以入射光的功率就是转换效率。效率用 表示。.outocsininPUIFP2.填充因子( )F太阳能电池的另一个重要参数是填充因子 ， 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大， 的值始终小于 l，它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，即max.ocsPUI三、实验仪器设备及材料表 5-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.太阳能电池板填充因子计算（1）熟练掌握太阳能电池板的填充因子公式如下：F·F=PmaxVoc×Iscf（2）将实验数据代入上公式中，计算出电池板的填充因子。（3）填充因子是表征太阳能电池板的性能优劣的重要参数。其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池 F·F 值在 0.75-0.8 之间。2.串联电阻对填充因子的影响测试（1）在实验台上按照图 5-1 连接好实验导线。图 5-1 串联电阻对填充因子的影响测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。16（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 5-2 中。（4）根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率填入表 5-2 中，并对电阻箱值为“0”时的功率进行比较。分析串联电阻对填充因子的影响。表 5-2 串联电阻对填充因子的影响测试数据记录表电阻值（欧） 0 10 50 100 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）输出功率 mW3.并联电阻对填充因子的影响测试（1）在实验台上按照图 5-2 连接好实验导线。图 5-2 并联电阻对填充因子的影响测试示意图（2）打开“模拟光源控制单元”里面“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”中的任意一个开关。（3）将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于表 5-3 中。（4）根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率填入表 5-3 中，并对电阻箱值为“0”时的功率进行比较。分析并联电阻对填充因子的影响。表 5-3 并联电阻对填充因子的影响测试数据记录表电阻值（欧） 0 10 50 100 500 1K 5K 10K电流（mA）电压（V）输出功率 mW（1）掌握太阳能电池板的转换效率公式如下：ηs(%)= ×100%PmaxPin（2）公式中 Pmax 为太阳能电池板的最大输出功率， Pin 为入射到太阳能电池板表面的光功率。其中 Pin 要自备光功率计才能测得。（3）单晶硅的转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的转换效率在 15%左右。（4）理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长。而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图 5-3 所示；17图 5-3 不同的光照条件下开路电压随入射光功率增加曲线图五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题1.如何计算太阳能电池板光电转换效率?2.如何提高太阳能电池板转换效率？七、实验报告要求完成相关实验数据的测量和计算，并注意标注实验数据测定的条件。18实验六 太阳能应用实验一、实验目的1.了解太阳能光伏板充电在实际中的应用方面。2.总结出太阳能光伏板充电的优缺点。二、实验原理太阳能的应用范围很广泛，除了可以直接驱动直流负载以外，还可以通过逆变输出到市电网络，或者驱动交流负载。太阳能广泛应用于以下领域：1.用户太阳能电源：(1)小型电源 10-100W 不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等;(2)3-5KW 家庭屋顶并网发电系统;(3)光伏水泵：解决无电地区的深水井饮用、灌溉。2.交通领域：如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/ 标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。3.通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/ 通讯/寻呼电源系统;农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵 GPS 供电等。4.太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相结合，使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来一大发展方向。5.家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。6.光伏电站：10KW-50MW 独立光伏电站、风光( 柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。7.其他领域包括：(1)与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等;(2)太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;(3)海水淡化设备供电;(4)卫星、航天器、空间太阳能电站等。三、实验仪器设备及材料表 6-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤1.太阳能驱动直流负载实验（1）在实验台上按照图 6-1 连接好实验导线。图 6-1 太阳能驱动直流负载实验示意图（2）将 A、B、C、D 四块光伏板并联连接于电路中。（3）按一下控制器有上角的“控制设置”按钮。此时风扇在转动。（4）将充电电流、充电电压和负载电流、负载电压表的数值记录于表 6-2 中。（5）计算一下光伏板的输入功率和控制器的输出功率。19表 6-2 充电电流、充电电压和负载电流、负载电压表的数值记录表充电电流（mA）充电电压（V）输入功率（W ）负载电流（mA）负载电压（V）输出功率（W ）2.太阳能电池直接充电（1）在实验台上按照图 6-2 连接好实验导线。图 6-2 太阳能电池直接充电示意图（2）将 A、B、C、D 四块光伏板并联连接于电路中。（3）按一下控制器有上角的“控制设置”按钮。此时风扇在转动。（4）将充电电流、充电电压的数值记录于表 6-3 中，计算一下光伏板的输入功率。表 6-3 太阳能电池直接充电数据记录表充电电流（mA）充电电压（V）（5）关闭实验台上的模拟光源（投光灯） ，注意观察充电电流、电压表的数据变化。并与上表的数据进行对比。 （电流反向，变为负）（6）试说明太阳能直接充电的缺点。3.太阳能路灯充电测试实验（1）在实验台上按照图 6-3 连接好实验导线。图 6-3 太阳能路灯充电测试实验20（2）将 A、B、C、D 四块光伏板并联连接于电路中。（3）按一下控制器有上角的“控制设置”按钮。此时风扇在转动。（4）将充电电流、充电电压的数值记录于表 6-4 中。（5）计算一下光伏板的输入功率。表 6-4 太阳能路灯充电测试数据记录表充电电流（mA）充电电压（V）输入功率（W ）五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题太阳能电池板在什么情况下回给蓄电池充电？七、实验报告要求完成相关实验数据的测量和计算，并注意标注实验数据测定的条件。21实验七 太阳能光控跟踪实验一、实验目的1.了解太阳能跟踪系统的工作原理。2.熟练掌握跟踪系统的使用操作方法。3.了解太阳能跟踪系统传动机构的工作原理。4.了解太阳能跟踪系统在应用中的优缺点。二、实验原理随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。在相同条件下，光照强度越大，太阳能电池输出功率越大。因而增大太阳能电池受光面的光照强度，就可增大太阳能电池输出功率。除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外，对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。因此，在太阳能的利用过程中，实施太阳跟踪是很有必要的。对太阳进行跟踪的方法很多，但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。单轴跟踪已在很多文献作了介绍，本文要讨论的为双轴跟踪。为了叙述方便，在以后的陈述中将两种坐标系下的整个系统统称为太阳能板。系统采用在地平坐标系下的太阳跟踪及程序跟踪和传感器跟踪相结合的控制方式，即采用程序控制，利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正，而通过单片机控制步进电机来实现。单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳能板的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点，从而进行跟踪。传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正。系统由时钟、单片机、驱动装置、编码器、太阳能板和传感器 6 部分组成。系统的核心部件是传感器和单片机。太阳跟踪系统原理见图 7-1 所示。图 7-1 太阳跟踪系统原理框图本控制系统中所采用光电传感器为 6 块相同的硅光电池，其中 4 块用来制作四象限硅光电池，进行误差校正。2 块作为判断光照强弱的信号输出传感器。太阳跟踪传感器是本系统的关键部件。为了保证太阳能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离，采用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器。图 7-2 光强信号传感器示意图如图 7-2 所示为四象限跟踪太阳传感器原理图。当光轴对准太阳时，光斑的中心在光轴上。四个象限接收到相同的光功率，输出相同的电压信号。当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度 θ时，光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移22即(x≠O，y≠O)。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比，每个象限被光斑覆盖的面积不同，因此各象限光电池产生的电压不尽相同。根据上述将 Vx，Vy 进行模数转换，然后送入单片机。单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动，直到Vx=Vy=O，即 x=O，y=O，则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可对太阳能板位置误差进行校正。判断光强信号传感器由两块光电池组成，一块接受太阳辐射，另外一块受光面背光。如图所示，前一块光电池的作用是：判断太阳直射辐射的强度，在直射辐射较弱时不启动跟踪程序，从而避免多云天气的盲目跟踪。后一块光电池的作用是当长时间阴天或多云转晴后太阳重新出现时，判断太阳直射辐射的强度，来决定是否启动跟踪程序。三、实验仪器设备及材料表 7-1 实验仪器设备及材料序号 设备名称 型号与规格 数量1 太阳能光伏发电系统实训平台 V-Ets-solar-IV 12 导线 红线、黑线 若干四、实验内容和步骤（1）连接好实验台与跟踪系统之间的三根连接线。（2）打开实验台的总电源开关和顺时针扭动急停开关，使仪表等都能点亮。（3）按一下跟踪系统的电源开关，使跟踪系统有正常的电源供电。（4）开启模拟光源三个中的“晨日”开关，注意观察，跟踪系统上的光伏板向开启的光源方向转动。直到跟踪能接受到最强的光照后自动停止。（5）再开启模拟光源三个中的“午日”开关，注意观察，跟踪系统上的光伏板向开启的光源方向转动。直到跟踪能接受到最强的光照后自动停止。（6）最后开启模拟光源三个中的“夕日”开关，注意观察，跟踪系统上的光伏板向开启的光源方向转动。直到跟踪能接受到最强的光照后自动停止。（7）用手部分挡住四块电池板中间黑色传感器，试看四块电池板能否还能找到投光灯。五、注意事项1.光照方向对光电池输出影响较大，实验时应给予注意。2.电压表、电流表的量程必须分别大于太阳能电池板的开路电压和短路电流。3.处于跟踪模式时，不允许所有的灯都关闭，可以“晨日” 、 “午日” 、 “夕日”都打开，也可以打开其中两个。4.实验结束后必须拆散电路，整理好仪器。六、思考题1.采用跟踪系统有什么好处？2.自动跟踪的原理是什么？七、实验报告要求（1）设计不同环境，改变太阳能电池板的光强和温度，在变化的环境下测量其电流、电压和输出功率。（2）找出影响太阳能板光伏转换的环境因素，并定性说明和定量测量。（3）在不同光强和温度下，绘制电流－电压曲线。23实验八 太阳能蓄电池充放电控制实验一、实验目的1.认识蓄电池的性能指标。2.掌握太阳能蓄电池充、放电监测实验的导线连接方法。3.总结太阳能蓄电池充、放电监测实验的优缺点。二、实验原理1.铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。极板组是由单片极板组合而成，单片极板又由基极(又叫极栅) 和活性物质构成。铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。其比重视电池的使用方式和极板种类而定，一般在 1.200－1.300(25℃)之间( 充电后) 。容器通常为玻璃容器、衬铅木槽、硬橡胶槽或塑料槽等。2.铅酸蓄电池的工作原理蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。由还原物质构成的电极为负极。由氧化态物质构成的电极为正极。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为 2V。实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至 2.3 伏左右。放电终止电压为 1.7－1.8伏。若再继续放电，电压急剧下降，将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为＋40℃―－40℃。铅酸蓄电池的安时效率为 85%－90% ，瓦时效率为 70%，它们随放电率和温度而改变。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为 2V。实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。3.蓄电池的电压铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至 2.3 伏左右。放电终止电压为 1.7－1.8伏。若再继续放电，电压急剧下降，将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为＋40℃―－40℃。铅酸蓄电池的安时效率为 85%－90% ，瓦时效率为 70%，它们随放电率和温度而改变。4.蓄电池的容量铅酸蓄电池的容量是指电池蓄电的能力，通常以充足电后的蓄电池放电至端电压到达规定放电终了电压时电池所放出的总电量来表示。在放电电流为定值时，电池的容量用放电电流和时间的乘积来表示，单位是安培小时，简称安时。蓄电池的“标称容量” 是在蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流及一定的电解液温度下单格电池的电压降到规定值时所能提供的电量。蓄电池的放电电流常用放电时间的长短来表示(即放电速度) ，称为“放电率”，如30、20、10 小时率等。其中以 20 小时率为正常放电率。所谓 20 小时放电率，表示用一定的电流放电，20 小时可以放出的额定容量。通常额定容量用字母“C“表示。因而 C20 表示20 小时放电率，C30 表示 30 小时放电率。5.蓄电池的型号铅酸蓄电池的型号由三个部分组成:第一部分表示串联的单体电池个数；第二部分用汉语拼音字母表示的电池类型和特征；第三部分表示 20 小时率干荷电式（C20）的额定容量。例如“6-A-60“型蓄电池，表示 6 个单格( 即 12