光伏发电实训系统

KNT-SPV01 光伏发电实训系统实验指导书（2011 年全国职业院校技能大赛指定设备）南京康尼科技实业有限公司2011 年 3 月第一部分 光伏发电系统基础1.1 光伏电池1.1.1 半导体与 PN 结1．本征半导体纯净半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质，纯净的半导体称为本征半导体。制造半导体器件的常用半导体材料有硅（Si） 、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。本征硅半导体中的硅原子核最外层有四个价电子，硅晶体为共价键结构，硅原子最外层的价电子被共价键束缚，在低温下，这些共价键是完好的，本征硅半导体显示出绝缘体特性。当温度升高或受到光照等外界激发时，共价键中的某些价电子会获得能量，摆脱共价键束缚，成为可以自由运动的电子，在原来的共价键中留出空穴。这些空穴又会被邻近的共价键中的价电子填补，并在邻近的共价键中产生新的空穴，空穴运动是带负电荷的的价电子运动造成的，其效果是带正电荷的粒子在运动。可以认为，自由电子是带负电荷的载流子，空穴是带正电荷的载流子。因此，本征半导体中有两种载流子即电子和空穴，它们是成对出现的，称为电子-空穴对，两种载流子都可以传导电流。通常本征半导体中的载流子浓度很低，导电能力差。当温度升高或受到光照时，本征半导体中的载流子浓度按指数规律增加，半导体的导电能力也显著增加。2．P 型半导体和 N 型半导体纯净半导体中加入了微量杂质，其导电能力会明显增强。在本征硅半导体中掺入微量三价元素，如硼（B）等，硼原子核的最外层有三个价电子，在形成共价键时，就产生了一个空穴，因此掺入微量三价元素后，本征硅半导体中的空穴浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠空穴导电的半导体称为 P型半导体。在 P 型半导体中，空穴浓度高于电子，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。在本征硅半导体中掺入微量五价元素，如磷（P）等，磷原子核的最外层有五个价电子，在形成共价键时，就产生了一个自由电子，因此掺入微量五价元素后，本征硅半导体中的电子浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠电子导电的半导体称为 N 型半导体。在 N 型半导体中，电子的浓度高于空穴，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。无论是 P 型半导体还是 N 型半导体，整个硅晶体中的正负电荷数量是相等的，是电中性的。3．PN 结采用特殊制造工艺使硅半导体的一边为 P 型半导体，另一边为 N 型半导体。由于在 P 型半导体中的空穴浓度高于电子浓度，而在 N 型半导体中电子浓度高于空穴浓度，因此，在 P 型半导体和 N 型半导体的交界面存在空穴和电子的浓度差。多数载流子会从高浓度处向低浓度处运动，这种由浓度差引起的多数载流子运动称为扩散运动，扩散运动的结果是在交界面 P 区一侧失去空穴留下不能移动的负离子，在 N 区一侧失去电子留下不能移动的正离子。这样，在 P 型硅半导体和N 型硅半导体交界面的两侧出现了由不能移动的正负离子形成的空间电荷区，称之为 PN 结。空间电荷区中产生了一个从 N 区指向 P 区的电场，该电场由多数载流子扩散而形成，称为内电场。空间电荷区中没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽层。如图 1 所示是半导体 PN 结的结构示意图。图 1 半导体 PN 结的结构示意图PN 结中的内电场力会使 P 区的电子即少数载流子向 N 区运动，同时使 N 区的空穴即少数载流子向 P 区运动，少数载流子在内电场力的作用下的运动称为漂移运动。扩散运动和漂移运动的方向是相反的，起初，空间电荷区较小，内电场较弱，扩散运动占优势。随后空间电荷区不断扩大，内电场增强，对多数载流子扩散的阻力不断增大，多数载流子扩散运动逐渐减弱，然而少数载流子的漂移运动不断增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度相对稳定，流过 PN 结的扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，总电流保持为零。1.1.2 光伏电池的工作原理光伏电池是半导体 PN 结接受太阳光照产生光生电势效应，将光能变换为电能的变换器。当太阳光照射到具有 PN 结的半导体表面，P 区和 N 区中的价电子受到太阳光子的冲激，获得能量摆脱共价键的束缚产生电子和空穴多数载流子和少数载流子，被太阳光子激发产生的电子和空穴多数载流子在半导体中复合，不呈现导电作用。在 PN 结附近 P 区被太阳光子激发产生的电子少数载流子受漂移作用到达 N 区，同样，PN 结附近 N 区被太阳光子激发产生的空穴少数载流子受漂移作用到达 P 区，少数载流子漂移对外形成与 PN 结电场方向相反的光生电场，一旦接通负载电路便有电能输出。图 2 是光伏电池受光线照射引起光生电势的示意图，①是光伏电池表面被反射的光线；②是太阳光子进入光伏电池表面，激发产生的电子和空穴在没有到达 PN 结时被复合；③是太阳光子到达 PN 结附近，激发产生的电子和空穴少数载流子在 PN 结漂移的作用下，产生光生电势；④是太阳光子到达光伏电池深处，远离 PN 结，激发产生的电子和空穴在没有到达 PN结时被复合，与②情况类似；⑤是被光伏电池吸收，能量较小不能激发电子和空穴的太阳光子；⑥是被光伏电池吸收且透射的光子。图 2 太阳光照射半导体产生电子和空穴的示意图图 2 比较清楚地描述了光伏电池的电势是 PN 结附近由太阳光子激发的电子和空穴少数载流子通过漂移形成的，PN 结附近的电子和空穴少数载流子通过漂移，电子流向 N 区，空穴流向 P 区。从外电路来看，P 区为正、N 区为负，如果接入负载，N 区的电子通过外电路负载流向 P 区形成电子流，进入 P 区后与空穴复合。我们知道，电子流动方向与电流流动方向是相反的，光伏电池接入负载后，电流是从电池的 P 区流出，经过负载流入 N 区回到电池。1.2 硅型光伏电池的电特性1.2.1 等效电路硅光伏电池的等效电路如图 3（a）所示。其中，I ph 是光伏电池输出的电流，也称为光生电流，I ph 值正比光伏电池的面积和入射光的辐照度，1cm 2 光伏电池的Iph 值约为 16～25mA/cm 2。环境温度升高，I ph 值会略增大，温度每升高 1ºC，I ph值约上升 78μA。I D 是暗电流，是指光伏电池在无光照下由外电压作用下 PN 结流过的单向电流，无光照下的光伏电池的特性类似普通的二极管的特性。R s 是串联电阻，主要由光伏电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅接触电阻等组成，阻值小于 1Ω。R sh 是旁路电阻，主要由光伏电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电阻，一般为几千欧姆。Rs 和 Rsh 是光伏电池的固有电阻，相当于光伏电池的内阻，因串联的 Rs 值很小、并联的 Rsh 值比较大，在进行电路分析和计算时，它们可以忽略不计。因此，硅光伏电池的等效电路相当于一个恒流源 Iph 和二极管并联，如图 3（b）所示。硅光伏电池的等效电路还应含有 PN 结形成的结电容和其它分布电容，通常光伏电池只有直流分量而没有高频交流分量，因此，这些电容可以忽略不计。（a） （b）图 3 硅型光伏电池的等效电路硅光伏电池的开路电压 Uoc 是将光伏电池置于 100mW/cm2 的光照下，光伏电池输出开路即负载 RL→∞ 时的输出电压值，硅光伏电池的开路电压一般为500～580mV，工作电流约为 20～25mA/cm 2，硅光伏电池的开路电压与电池面积无关，与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比。环境温度每上升1ºC， Uoc 值约下降 2～3mV 。硅光伏电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 4～100cm 2 不等。由于所能提供的电压和电流很小，一般不作为光伏电源使用。通常将多个光电池进行串并联封装，构成太阳能电池组件作为光伏电源的基本单元使用，其功率一般为几瓦至几十瓦。太阳能组件再经过串并联组合安装构成太阳能电池方阵，以满足光伏发电系统负载所要求的输出功率。1.2.2 光伏电池的输出特性图 4 是光伏电池的输出特性曲线，在光照强度不变的情况下，它的功率输出具有极大值。在这个极大值点的两侧，光伏电池输出都在零与极大值之间变化。图 4 光伏电池的输出特性曲线1.3 光伏储能及其充放电模式1.3.1 蓄电池的主要参数指标蓄电池有以下主要参数指标：（1）蓄电池的电动势。（2）蓄电池的开路电压与工作电压。（3）蓄电池的容量。（4）蓄电池内阻。（5）蓄电池的能量（6）蓄电池功率和比功率1．蓄电池的电动势蓄电池的电动势在理论上是输出能量多少的量度。一般讲，在相同的条件下，电动势高的蓄电池，输出的能量大。理论上讲，蓄电池的电动势等于组成蓄电池的两个电极的平衡电势之差。2．蓄电池的开路电压与工作电压蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。蓄电池的开路电压等于其正极电势与负极电势之差，在数值上等于蓄电池的电动势。蓄电池的工作电压是蓄电池承接负载后在放电过程中所显示的电压，也称为负载电压或放电电压。由于蓄电池存在内阻，蓄电池承接负载后的工作电压往往低于开路电压。蓄电池承接负载时是处于放电过程，放电电压在放电过程中表现出来的平稳性表征蓄电池工作电压的精度。蓄电池工作电压的平稳性与蓄电池内部活性物质反应的平稳性有关。蓄电池工作电压随放电时间变化的曲线称为放电曲线，其数值及平稳度依赖于放电条件，在高速率、低温条件下放电时，蓄电池的工作电压将减低，平稳程度也随之下降。3．蓄电池的容量蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，常用单位是安培小时，简称安时（A·h） ，根据不同的计量条件，蓄电池的容量又分为理论容量、额定容量、实际容量和标称容量。（1）理论容量理论容量是蓄电池中活性物质的质量按法拉第定律计算得到的最高理论值，常用比容量的概念即单位体积或单位质量蓄电池所能给出的理论电量，单位是A·h/kg 或 A·h/L。（2）额定容量额定容量也称为保证容量，是按国家或有关部门颁布的保证蓄电池在规定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。（3）实际容量实际容量是指蓄电池在一定条件下实际所能够输出的电量，它在数值上等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。因为蓄电池在放电过程中，其活性物质不能完全被有效利用，蓄电池中不参加反应的导电部件等，也要消耗电能。蓄电池的实际容量与蓄电池的正、负极活性物质的数量与利用的程度有关。活性物质的利用率主要受放电模式和电极结构等因数影响，放电模式是指放电速率、放电形式、终止电压和温度；电极结构是指电极高宽比例、厚度、孔隙率和导电栅网的形式。放电速率简称放电率，常用时率和倍率表示，时率是以放电时间表示的放电速率，以某电流值放电至规定终止电压所经历的时间。倍率是指蓄电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。终止电压是指蓄电池放电时电压下降到不宜再继续放电时的最低工作电压。（4）标称容量标称容量也称公称容量，是用来鉴别蓄电池容量大小的近似安时值，只标明蓄电池的容量范围而不是确切数值。因为在没有指定放电条件下，蓄电池的容量是无法确定的。4．蓄电池内阻蓄电池放电时，电流回路通过蓄电池内部要受到活性物质、电解质、隔膜、电极接头等多种阻力，使得蓄电池的电压降低，这些阻力总和称为蓄电池的内阻。蓄电池内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化。一般讲，大容量蓄电池内阻小，低倍率放电时，蓄电池内阻较小；在高倍率放电时，蓄电池内阻增大。蓄电池的内阻包括欧姆电阻和极化内阻。欧姆电阻遵守欧姆定律，极化内阻不遵守欧姆定律，它随电流密度增加而增大，呈非线性关系。（1）欧姆电阻欧姆电阻主要体现在蓄电池内部的导电部件的电阻，如电极材料、电解液、隔膜的电阻，以及各部分零件的接触电阻组成。（2）极化内阻极化内阻是指在蓄电池正、负极进行电化学反应时极化引起的内阻，它与活性物质的特性、电极结构形式及其制造工艺有关，尤其与蓄电池的运行工作条件有关，如放电电流和温度。当通以大电流时，电化学极化和浓度极化增加，可能引起负极的钝化。低温对极化和离子扩散会产生不利影响，因而在低温条件下蓄电池的内阻增加。（3）隔膜电阻隔膜材料是绝缘体，隔膜电阻不是指材料本身的电阻，隔膜电阻是指隔膜的孔隙率、孔径和孔的曲折程度对离子迁移产生的阻力，即电流通过隔膜时微孔中的电解液的电阻。隔膜微孔结构中充满电解液，电解液中的离子通过孔隙进行迁移而导电，因此蓄电池的隔膜电阻越小越好。5．蓄电池的能量蓄电池的能量是指蓄电池在一定的放电条件下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时（W ·h）表示。蓄电池的能量分为理论能量和实际能量。（1）理论能量蓄电池的理论能量（W T）可用理论容量（C T）与电动势（E）的乘积表示，即WT= CT·E（2）实际能量蓄电池的实际能量（W R）是指蓄电池在一定的放电条件下的实际容量（C R）与平均工作电压（U R）的乘积，即WR= CR·UR6．蓄电池功率和比功率（1）蓄电池功率蓄电池功率是指蓄电池在一定的放电条件下，单位时间内所给出能量的大小，单位是瓦（W）或千瓦（kW） 。（2）蓄电池比功率蓄电池比功率是单位质量蓄电池所能给出的功率，单位是 W/kg 或 kW/kg。蓄电池比功率越大，表示可以承受的放电电流越大。7.蓄电池的输出功率蓄电池的输出功率也称为充电效率。蓄电池充电时把太阳能电池发出的电能转化为化学能储存起来，放电时把化学能转化为电能，输出供给负载。蓄电池在工作过程中有一定的能量消耗，通常用容量输出效率和能量输出效率表示。容量输出效率 是指蓄电池放电时输出的电量与充电时输入的电量之比，即C%10chdisC式中， 为放电时输出的电量， 为充电时输入的电量。dis能量输出效率 也称电能效率，是指蓄电池放电时输出的能量与充电时输入Q的电能之比，即 %10chsiQ式中， 为放电时输出的电能， 为充电时输入的电能。disQ影响蓄电池输出效率的主要原因是蓄电池存在内阻，内阻使充电电压增加，放电电压降低，内阻消耗的能量以热的形式释放。1.3.2 蓄电池的基本特性1．使用寿命蓄电池的有效寿命期称为使用寿命。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限指包括存放时间内蓄电池可供使用的时间；使用周期指蓄电池可以重复使用的次数。蓄电池每经受一次全充电和全放电过程称之为一个周期或一个循环，蓄电池的寿命有效期包括所经受的循环寿命。2.蓄电池的自放电蓄电池的自放电是指蓄电池在存储期间容量逐渐减少的现象。3.蓄电池的运行方式根据使用要求，同型号的蓄电池可以串联、并联或串并联使用。蓄电池有三种方式运行：循环充放电制、连续浮充制和定期浮充制。（1）循环充放电制循环充放电制属于全放全充型方式，这种方式使得蓄电池寿命减短。（2）连续浮充制连续浮充制也称为全浮充制。正常情况下，光伏直流电加在蓄电池电极两端，当蓄电池电压低于光伏直流电，蓄电池被充电；当光伏直流电低或没有电时，启用蓄电池对负载供电。（3）定期浮充制定期浮充制也称半浮充制，部分时间由光伏直流电直接向负载供电，部分时间由蓄电池供电，同时补充蓄电池放出的容量。蓄电池的连续浮充制和定期浮充制的使用寿命比使用循环充放电制的使用寿命长，连续浮充制比定期浮充制合理。4.蓄电池的充电蓄电池的充电方式可以分为：恒流充电、恒压充电、恒压限流和快速充电。（1）恒流充电恒流充电是以恒定不变的电流进行充电。其不足之处是开始充电阶段恒流值比可充值小，充电后期恒流值比可充值大。恒流充电适合蓄电池串联的蓄电池组。分段恒流充电是恒流充电的变形，在充电后期把充电电流减小。（2）恒压充电恒压充电是对单体蓄电池以恒定电压充电，充电初期电流很大，随着充电进行，电流减小，充电终止阶段只有很小的电流。其缺点是在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，会危及充电器的安全，蓄电池也可能因过流而受到损坏。（3）恒压限流恒压限流是在充电器与蓄电池之间串联一个电阻，当电流大时，电阻上的压降也大，从而减小了充电电压；当电流小时，电阻上的压降也小，充电器输出压降损失就小，这样就自动调整了充电电流。（4）快速充电快速充电是使电流以脉冲形式输出给蓄电池，蓄电池有一个瞬时间的大电流放电，使其电极去极化，在短时间内充足电。5. 蓄电池的充电控制方法蓄电池的充电过程一般分为主充、均充和浮充。主充一般是快速充电，脉冲式充电是常见的主充模式，以慢充作为主充模式是恒流充电。蓄电池组深度放电或长期浮充后，串联中的单体蓄电池的电压和容量出现不平衡现象，为了消除这种不平衡现象而进行的充电称为均衡充电，简称均充。为了保护蓄电池不过充，在蓄电池充电至 80%-90%容量后，一般转为浮充（恒压充电）模式。1.3 控制器1.3.1 控制器的基本工作原理1. 控制器的基本工作原理光伏电池的伏安特性具有很强的非线性，当日照强度改变时，其输出功率与最大功率点会随着变化。因此，良好的控制器能有效地利用太阳能。光伏电池的电能除了提供给直流负载使用之外，还要通过控制器对蓄电池充电。控制器一是要对蓄电池进行充放电保护，二是要提供稳定的直流电压给直流负载或逆变器使用。一般讲，控制器应具有以下功能：（1）输入高电压时断开输入电路，输入正常电压时恢复电路连接。（2）当蓄电池电压降到欠压设定值时，蓄电池停止向负载供电；蓄电池电压恢复到欠压设定值以上时，蓄电池恢复向负载供电。（3）控制器具有负载短路保护、光伏电池供电反接保护。（4）蓄电池充电具有温度补偿功能。2. 并联型充放电控制器并联型充放电控制器原理框图如图 5 所示。并联型充放电控制器充电回路中的开关器件 T1 并联在太阳能电池方阵的输出端，当蓄电池被充电压大于预定值时，开关器件 T1 导通，二极管 D1 截止，太阳能电池方阵的输出电流通过 T1 泄放，蓄电池不会出现过充，得到保护。开关器件 T2 为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2 断开，起到输出过载保护和输出短路保护作用。当蓄电池电压低于过放电压时，T2 也断开，进行过放电保护。D2 为防反接二极管，当蓄电池极性反接时，D2 导通使蓄电池通过 D2 短路放电，产生的大电流将熔断器熔断，起到保护作用。图 5 并联型充放电控制器原理框图3. 串联型充放电控制器串联型充放电控制器原理框图如图 6 所示。串联型充放电控制器与并联型充放电控制器的区别在于开关器件 T1 接法不同，串联型充放电控制器中的 T1 是串联在充电回路中，当蓄电池电压高于预定值，T1 断开，太阳能电池不再对蓄电池充电，起到过充保护作用。图 6 串联型充放电控制器原理框图1.3.2 控制器的结构框图控制器的结构框图如图 7 所示。控制器主要由蓄电池电压及环境温度检测、充放电控制太阳能电池的电压检测、负载电流检测、状态显示、通信、人机对话等电路组成。采用 PWM 方式驱动充电电路，控制蓄电池的最优充放电。图 7 控制器的结构框图1.3.3 控制方式为了提高太阳能发电系统的效率，将太阳能电池的电压和电流检测后相乘得到功率 P，然后判断太阳能电池的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽调制输出占空比，改变充电电流，再次进行实时采样并作出是否改变占空比的判断，通过这样的寻优过程可保证太阳能电池运行在最大功率点。1. CVT 方式CVT 方式是将最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪，CVT 的原理如图 8 所示。spV是给定工作点电压，对应于某一温度下的最大功率点。 是太阳能电池的实际输spV出电压，给定电压和实际电压比较后经过 PI 调节，调节结果与三角波比较得到PWM 脉冲，驱动功率器件，从而调节太阳能电池的负载阻抗，不同的 PWM 脉宽对应不同的负载阻抗。图 8 CVT 原理2. MPPT 方式CVT 在一定温度下可以实现最大功率跟踪，在不同温度下仍有功率损失。MPPT 是在 CVT 的基础上，实时改变太阳能电池的工作点电压，使工作点电压始终等于最大功率点出的电压，从而实现最大功率点跟踪，它的内环是 CVT。MPPT 控制框图如图 9 所示。图 9 MPPT 控制框图1.4 逆变器1.4.1 逆变基本电路1. 电压型逆变电路电压型全桥逆变电路如图 10 所示，该电路具有以下特点：（1）直流侧为电压源或并联大电容。（2）输出电压为矩形。（3）电感性负载需提供无功。全桥逆变电路由两个半桥电路组成，VT1 和 VT4 一对，VT2 和 VT3 为另一对。成对的桥臂同时导通，两桥臂交替导通 180º。图 10 电压型全桥逆变电路2. 电流型逆变电路单相电流型全桥逆变电路如图 11 所示，该电路具有以下特点：（1）直流侧串大电感，电流脉动小。（2）交流输出电流为矩形。（3）直流侧电感起缓冲无功能量作用。图 11 单相电流型全桥逆变电路单相电流型全桥逆变电路中每臂开关管各串一个电抗器，限制开关管开通时的 di/dt。1.4.2 正弦脉宽调制 SPWMSPWM 可以由正弦波和三角波调制，决定脉冲的时刻。三角波的底点位置对正弦波采样形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的。图 12 是正弦脉宽调制 SPWM 波形示意图。图 12 正弦脉宽调制 SPWM 波形1.4.3 DSP 逆变控制DSP 逆变控制电路框图如图 13 所示。采用电压霍尔传感器对输出电压进行采样，传感器的输出信号经处理后送入 DSP 模/数转换单元，并将结果存入 DSP 中，由此得到输出电压的反馈信息。将反馈信息与给定值进行比较，得到偏差信号。将偏差信号及给定信号依照一定的算法进行计算，得到脉宽控制量。控制算法采用重复控制加 PID 控制方法，前者保证输出波形的稳态特性，后者保证输出波形的动态性能。由脉宽控制量可以计算出当前时刻的 SPWM 波的占空比，使输出波形的占空比按正弦规律变化，得到高频 SPWM 波。因为全桥逆变的上下桥臂不能直通，必须在 DSP 的 PWM 输出中加入相应的死区时间。死区时间的加入，需在软件编程时，对 DSP 内的死区寄存器进行设置。高频 SPWM 波输出至驱动电路，产生按正弦规律变化的 SPWM 波，再经 LC 滤波，得到正弦输出电压。图 13 DSP 逆变控制电路框图第二部分 KNT-SPV01 光伏发电实训系统实验实验一 太阳能电池组件和蓄电池的选择一、目的与要求（1）根据要求，计算太阳能电池组件的容量和数量。（2）根据要求，计算蓄电池的容量和数量。二、实验原理确定太阳能光伏发电系统的电池组件需要了解一些基本数据：（1）负载功率、额定工作电压、连续工作时间。（2）太阳能电池组件安装的地理位置（经、纬度） 、气象资料（太阳辐射总量、平均日照数、最长连续阴雨天数等） 。日照时数见表 1。根据所确定的基本数据，利用下面的计算公式或计算过程可以选择电池组件和蓄电池的容量。1．太阳能电池组件串联数 SN太阳能电池组件端电压等于蓄电池浮充电压时，蓄电池具有最佳充电状态。计算公式： DCDfDCRS UUN/)(/式中， 为太阳能电池组件输出的最小电压； 为太阳能电池组件最佳工作电C压； 为蓄电池浮充电压； 为二极管压降，一般取 0.7V； 为其他因素引f D CU起的压降。2．太阳能电池组件并联数 PN（1）太阳能电池组件安装地点的太阳能日辐射量 转换成在标准光强下的tH平均日辐射时数 H(h)。计算公式：(h)10/78.2t式中， 是 为将日辐射量换算为标准光强. )/(0/.2kJm下的平均日辐射时数的系数。)/10(2mW（2）太阳能电池组件日发电量 (Ah)PQ计算公式：(Ah)ZopocPCKHIQ式中， 为太阳能电池组件最佳工作电流；H 为太阳能电池组件日工作小时数；为斜面日辐射量修正系数，按太阳能电池组件安装地纬度不同，斜面日辐射opK量修正系数 取 1.09～1.14； 为组合、衰减、灰尘、充放电效率等损失系数，opZC一般取 0.8。（3）连续阴雨天蓄电池需补充的容量 (Ah)cbB计算公式： NQABLcbUPL/式中，A 为安全系数，一般取 1.1～1.4； 为负载日耗电量，取值一般为负载工LQ作电流乘以日工作小时数 ；P 为负载功率； 为负载工作电压。NU（4）太阳能电池组件并联数计算公式： )/()(WPLWcbPQBN式中， 为最长两次连续阴雨天之间的最短间隔天数。（5）太阳能电池组件的功率 P计算公式： PSN0式中， 为太阳能电池组件的额定功率。3．蓄电池容量 （Ah）CB计算公式：CLCTNAQB/0式中，A 为安全系数，取 1.1～1.4； 为负载日耗电量，取值一般为负载工作电LQ流乘以日工作小时数 ； 为最长连续阴雨天数； 为温度修正系数，一般L 0T0ºC 以上取 1，-10ºC 以上取 1.1，-10ºC 以下取 1.2； 为蓄电池放电深度，铅C酸蓄电池放电深度一般取 0.75。表 1 全国各大城市标准日照时数城 市 纬度Φ（º） 斜面日均辐射量 （kJ/m 2） 日辐射量Ht（kJ/m 2）最佳倾角（º ）哈尔滨 45.68 15838 12703 Φ+3长春 43.90 17127 13572 Φ+1沈阳 41.77 16563 13793 Φ+1北京 39.80 18035 15261 Φ+4天津 39.10 16722 14356 Φ+5呼和浩特 40.78 20075 16574 Φ+3太原 37.78 17394 15061 Φ+5乌鲁木齐 43.78 6594 14464 Φ+12西宁 36.75 19617 16777 Φ+1兰州 36.05 15842 14966 Φ+8银川 38.48 19615 16553 Φ+2西安 34.30 12952 12781 Φ+14上海 31.17 13691 12760 Φ+3南京 32.00 14207 13099 Φ+5合肥 31.85 13299 12525 Φ+9杭州 30.23 12372 11668 Φ+3南昌 28.67 13714 13094 Φ+2福州 26.08 12451 12001 Φ+4济南 36.68 15994 14043 Φ+6郑州 34.72 14558 13332 Φ+7武汉 30.63 13707 13201 Φ+7长沙 28.20 11589 11377 Φ+6广州 23.13 12702 12110 Φ+0海口 20.03 13510 13835 Φ+12南宁 22.82 12734 12515 Φ+5成都 30.67 10304 10392 Φ+2贵阳 26.58 10235 10327 Φ+8昆明 25.02 15333 14194 Φ+0拉萨 29.70 24151 21301 Φ+6三、实验内容30W 太阳能路灯系统设计。要求：太阳能路灯功率为 30W，工作电压为直流12V，路灯每天工作 8h，连续 7 个阴雨天能正常工作。当地东经 114º，北纬23º，年平均日太阳辐射为 3.82kW/m2，年平均月气温为 20.5ºC，两个连续的阴雨天间隔时长 25d。四、实验设备计算机。五、实验报告提交实验报告。实验二 太阳能电池板追日实验一、目的与要求（1）学习 GE PLC 的编程方法。（2）通过 GE PLC 编程控制水平和俯仰运动机构，使太阳能电池板完成追日运动。二、实验原理1. 光源模拟跟踪装置光源模拟跟踪装置如图 14 所示，该装置由 4 块太阳能电池板组件、3 盏300W 投射灯、追日跟踪传感器、水平和俯仰运动机构、直流电动机和支架组成。太阳能电池板组件的主要参数：额定功率 20W额定电压 17.2V额定电流 1.17A开路电压 21.4V短路电流 1.27A2. 光源模拟跟踪控制系统光源模拟跟踪控制系统由母线单元（SPV01-GE01 ） 、电源组件（SPV01-PO02） 、GE 可编程序控制器（IC200UDR040） 、按钮单元（SPV01-BU03） 、继电器、12V 开关电源（DR-120-12）和端子排等低压电器等组成，如图 15 所示。3. PLC 控制电原理图PLC 控制电原理图如图 16 所示。图 14 光源模拟跟踪装置（a） （b）图 15 光源模拟跟踪控制系统（a）光源模拟跟踪控制系统框图（b）光源模拟跟踪控制系统实物图（a）（b）（c）图 16 PLC 控制电原理图4. 信号定义信号定义见表 2。5. 追日程序流程追日程序流程如图 17 所示。表 2 信号定义名称 数据类型 描 述 IO 地址 备注E_Stop BOOL 紧停按钮 %I00001 紧停start BOOL 手动调试下启动按钮 %I00002 手动调试下启动追踪Manual_Auto BOOL 模式选择开关（手/自动） %I00003 模式转换MorningSun_Contr BOOL 按钮_晨日模拟太阳 %I00004NoonSun_Contr BOOL 按钮_午日模拟太阳 %I00005AfternoonSun_Contr BOOL 按钮_晚日模拟太阳 %I00006手动调试下控制任一灯光NorthLimit BOOL 北限位开关（常开） %I00007SouthLimit BOOL 南限位开关（常开） %I00008WestLimit BOOL 西限位开关（常开） %I00009EastLimit BOOL 东限位开关（常开） %I00010触及任一限位后向相反方向运动Signal_North BOOL 向北信号（高电平要向北运动） %I00011Signal_South BOOL 向南信号（高电平要向南运动） %I00012Signal_West BOOL 向西信号（高电平要向西运动） %I00013Signal_East BOOL 向东信号（高电平要向东运动） %I00014任一或两个为高电平时，向为高点平方向侧运动，知道 4 个信号全为 0，最佳点找到Q00001 WORD SPARE %Q00001 空SouthMove BOOL 向南运动 %Q00002 向南运动NorthMove BOOL 向北运动 %Q00003 向北运动EastMove BOOL 向东运动 %Q00004 向东运动WestMove BOOL 向西运动 %Q00005 向西运动SunMorning_ BOOL 晨日灯光控制 %Q00006 晨日灯光控制SunNoon_ BOOL 午日灯光控制 %Q00007 午日灯光控制SunAfternoon_ BOOL 晚日灯光控制 %Q00008 晚日灯光控制R00110 INT 向南运动 %R00110 向南运动R00111 INT 向北运动 %R00111 向北运动R00112 INT 向东运动 %R00112 向东运动R00113 INT 向西运动 %R00113 向西运动R00115 INT 上位机控制启动追踪 %R00115 上位机控制启动追踪R00116 INT 上位机控制晨日 %R00116 上位机控制晨日R00117 INT 上位机控制午日 %R00117 上位机控制午日R00118 INT 上位机控制晚日 %R00118 上位机控制晚日追日系统控制保护部分 手动调试部分 自动运行部分东 、 西 、 南 、 北四方向的任一限位被触发中断手动 、 自动状态向限位出发点相反方向运行脱离硬限位并持续一段时间东西 、 南北双线可并行模式开关在左侧 模式开关在右侧调试面板手动选择晨日 、 午日 、 晚日只能一个被触发待任一模拟灯被点亮后 ， 按启动按钮东西 、 南北双向同时追寻最佳接收点追寻结束后 ， 一周期结束如需追踪另一模拟灯 ， 重新按启动按钮追踪上位机通过 m o d b u s 通讯控制 P L C点亮任一模拟灯触发追日 ， 并显示四方向运动情况追日结束后 ， 将上位机触发信号清除继续下一环节追踪# 紧停 ： 停止所有输出 ＼ 清除通讯信号# 模拟太阳不可从晨日 / 晚日直接转入晚日 / 晨日模拟图 17 追日程序流程6. 参考程序参考程序见附录 1。三、实验内容（1）将手动/自动旋钮拨向手动，分别按下晨日、午日、夕日按钮，太阳能电池板进行跟踪运动。（2）将手动/自动旋钮拨向自动，运行自动程序。（3）通过后台监控进行太阳能电池板跟踪运动。四、实验设备KNT-SPV01 光伏发电实训系统。五、实验报告提交实验报告。实验三 太阳能电池板伏安特性测试实验一、目的与要求（1）理解太阳能电池板最大功率的概念。（2）要求理解太阳能电池板最大功率的测试方法。二、实验原理太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压将发生变化，使输出功率也发生很大变化，故太阳能电池本身是一种不稳定的电源。因此需要在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率。本次实验就是通过太阳能电池板在固定的环境，固定的光照下，测出当前环境的太阳能电池板的伏安特性，找出当前环境下太阳能电池板的最大输出功率。三、实验内容通过光源模拟跟踪装置的三盏投光灯照射到太阳能电池板上，调节“能量转换控制存储系统”上的可调电阻，找出当前电阻对应的电压、电流值。记录并绘制当前太阳能电池板的功率曲线，找出当前太阳能电池板的最大输出功率。四、实验步骤（1）通过 GE PLC 控制二维旋转机构，使太阳能电池板正对中间一盏投光灯，同时打开两边的投光灯，使三盏灯同时照射到太阳能电池板上。（2）合上“能量转换控制存储系统”上的仪表电源空气开关，使仪表工作。（3）合上“能量转换控制存储系统”上的可调电阻空气开关。（4）调节可调电阻，按照阻值从高到低顺序，当电压表为整数时，记录当前电流，按照电压从高到低顺序，每隔一定的电压段，记录一个电流表数据。（5）通过记录的电压电流数据，计算每个电压、电流对应的功率。（6）绘制功率曲线，并找出最大功率点。五、实验数据与分析1. 实验数据实验数据见表 3。表 3 实验数据序号 电压 电流 功率1 35.6 0.10 3.562 31 0.11 3.413 29 0.13 3.774 27 0.14 3.78 最大功率点5 24 0.15 3.66 19 0.15 2.857 15 0.16 2.48 11 0.16 1.769 10 0.17 1.710 7 0.17 1.1911 5.5 0.18 0.9912 2 0.18 0.3613 0 0.19 02. 分析由表 3 数据可以观察到功率曲线有最大功率点。六、实验设备KNT-SPV01 光伏发电实训系统。七、实验报告提交实验报告。实验四 SPWM 测试实验一、目的与要求（1）理解 SPWM 原理。（2）要求理解 SPWM 的测试方法。二、实验原理SPWM 可以由正弦波和三角波调制，决定脉冲的时刻。三角波的底点位置对正弦波采样形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的。图 18 是正弦脉宽调制 SPWM 波形示意图。图 18 正弦脉宽调制 SPWM 波形三、实验内容和步骤（1）将示波器的探头接入离网逆变主电路模块（KNWS-SOC-26）的斩波电压输出接口（J6）两端，获取图 19 波形。（2）将示波器的探头接入离网逆变主电路模块（KNWS-SOC-26）的逆变输出接口（J7）两端，获取图 20 波形。（3）将示波器的探头接入离网逆变主电路模块（KNWS-SOC-26）的 IGBT 驱动输入接口（J1）两端，获取图 21 波形。图 21（a） 、 （b）是调节交流采样电位器，在不同采样值情况下的波形。