太阳能发电测试系统实验指导书.pdf

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/14V 1 块 9 220V/10W节能灯 1 个2 人工光源： 300W卤素灯 1 个 10 12V/10W 直流风扇 1 个3 3A/100 欧姆的滑动变阻器 1 个 （暂无） 11 220V/11W 交流风扇 1 个4 10A 12V/24V PV 控制器： 1 个 12 2P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/20AH 1 个 14 数字电压表 4 个7 500W/24V离网逆变器 1 个 15 接线端子 若干8 12V/10WLED灯 1 个 16 5 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： 8 4 9 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 ～ 1.2 μ m左右，最大灵敏度在 0.8 ～ 0.95 μ m之间。9 2. 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 （ L1