FUDSETI太阳能光伏发电系统实训实验台实验指导书.docx
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FUDSETI太阳能光伏发电系统实训实验台实验指导书
太阳能光伏发电系统实训实验台
实验指导书
2013年3月
黄淮学院电子科学与工程系
一光伏发电系统基本认识实验
（一）、实验目的
1、对此系统如何模拟太阳光的运行有所了解
2、对太阳循迹系统的工作方式有所认识
3、熟悉一下实验装置的具体组成部分
（二）、实验设备
太阳光模拟系统、实验柜
（三）、实验原理
1.1光伏发电系统组成部分基本认识实验
太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。
它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图1－1所示。
图1－2太阳能电池发电系统示意图
依据上图，对各个部分进行简要的介绍。
1、太阳能电池组件：
太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能量转换为电能推动负载使工作或送往蓄电池中存储起来。
它的质量和成本将直接决定整个系统的质量好坏。
2、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，并对蓄电池起到充电保护、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。
3、蓄电池组：
一般为铅酸电池，其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能存储起来，到需要的时候再释放出来。
4、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DC——AC逆变器。
1.2、光伏实验柜基本认识：
1.3.1、监控与显示模块
太阳能光伏发电实训台监控与显示模块
该模块主要有触摸屏控制单元、总控制开关、单元控制开关、指示灯、温度表、光照度表、风速表与电池电压监控等几个部分组成。
✧触摸屏控制单元：
此单元为整个系统的核心部件之一，其中配备有实验操作软件与监控软件。
学生可以通过实验操作软件对实验内容进行查询，按照实验内容的指示进行相关实验，并对实验数据进行记录。
监控软件部分主要是与教师机监控软件进行通讯，能够将学生的实验操作情况进行通讯，将学生的实验数据与实验状态上传到教师机上。
✧总控制开关：
在进行整个实验之前，首先通过总控制开关打开实验系统。
✧单元控制开关：
本模块内控制开关。
✧指示灯：
指示设备工作状态。
✧温度表：
监控光伏组件板表面温度。
✧光照度表：
监控光伏组件板表面光照度。
✧风速表：
环境风速监控。
✧电池电压监控：
监控蓄电池储能装置的电压。
1.3.2、太阳能发电控制模块
太阳能发电控制模块
本模块主要有太阳能发电光伏控制器、MPPT控制器、电流表、电压表、控制开关、接线端子组成。
✧太阳能发电光伏控制器：
本模块中选用的控制器不同于普通工业用控制器。
普通工业用光伏控制器自动化程度较高，无法对控制器内部工作方法进行调节。
本模块中选用控制器为开放型控制器，能够对控制器内部进行任意调节、控制与测量，学生可通过MPPT控制屏对控制器内部参数进行设置与更改，实现系统工作的认识性实习。
✧MPPT控制器：
MPPT控制器是对光伏控制器的内部参数进行控制与调节，学生可通过该控制器选择光伏控制与负载控制等多种模式，对PWM占空比进行调节，手动寻找最大功率点、输出电压调节等相应工作。
✧电流表、电压表：
对每个端子的参数进行电学测量。
✧控制开关：
对控制器工作状态与蓄电池状态进行控制。
✧接线端子：
为控制器内部结构引出端，通过端子可以实现控制器内部基本电学测试与波形测试。
1.3.3、太阳能发电逆变模块
太阳能发电逆变模块
本模块主要由太阳能发电逆变器、电流表、电压表、多功能谐波表、控制开关与接线端子组成。
✧太阳能发电逆变器：
本模块中选用逆变器并非普通工业用逆变器。
普通工业用逆变器集成化程度较高，只有输入与输出。
本模块中逆变器对逆变原理部分展示更为透彻，学生能够对PWM控制方波、PWM控制正弦波、输出信号波与输出载波情况进行波形测量，学生通过对波形的测量能够更加清楚的掌握逆变器的工作原理与工作模式。
✧电流表、电压表：
基本电学信息测量。
✧多功能谐波表：
交流电学与相位信息测量。
通过该表能够清晰显示交流电状态，包括交流电压、电流、有功、无功、功率因数、谐波含量、畸变率等相应参数。
✧控制开关：
对逆变器工作状态进行控制。
✧接线端子：
为逆变器内部结构引出端，通过端子可以实现逆变器内部基本电学测试与波形测试。
1.3.4、太阳能发电负载模块
太阳能发电负载模块
太阳能发电负载模块主要有交流负载、直流负载组成，通过负载接入光伏发电系统，能够对整个系统的工作模式进行相应工作状态显示。
二太阳能电池板特性实验系列
（一）、实验目的：
1、了解太阳能光伏发电系统的组成和原理；
2、了解光伏电池的开路电压及短路电流的测试方法
3、了解太阳能电池板的伏安特性及最大功率点的寻找方式。
（二）、实验设备
太阳光源模拟系统、太阳能电池板、光伏实验柜。
（三）、实验原理
当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。
太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N结两边产生电压，使P-N结短路，从而产生电流。
这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。
太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上电池。
太阳能电池板有不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50W至300W。
太阳能电池和
图2-1太阳能电池I-V曲线
电池板有许多相同的需要测试参数，如
和最大功率点
。
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点。
通常自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，为了在相同日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能，就存在最大功率输出点跟踪的问题。
因此，需要对太阳能电池板进行最大功率点跟踪控制（MPPT）。
MPPT实质是一个自寻优过程。
通过控制电池板的特定参数或控制DC/DC变换器开关管的开通时间使电池板能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。
其原理图如下：
图2-2最大功率跟踪原理图
（四）、实验内容
2.1太阳能电池板开路电压测试实验
以下首先介绍一下实验过程中比较重要的几个概念
（1）短路电流（
）:
在给定温度日照条件下所能输出的电流。
（2）开路电压（
）:
在给定温度日照条件下所能输出的电压。
（3）最大功率点电流（
）:
在给定温度日照条件下最大功率点上的电流。
（4）最大功率点电压（
）:
在给定温度日照条件下最大功率点上的电
压。
（5）最大功率点功率（
）:
在给定温度日照下所能输出的最大功率，
因此，我们可以给定一定的光照强度来测量电池板的开路电压与短路电流。
实验装置原理框图如图2-5所示，将电压表V直接接在太阳能电池组件的正负极
图2-5太阳能电池板开路电压特性实验
光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量，记录其开路电压。
实验连接图如下：
仍对太阳能电池板采用串联方式，然后将201端口与电压表（#6）正端相连，204端口与其负端相连，打开光源，观察并记录表上的示数。
2.2太阳能电池板短路电流测试实验
图2-4太阳能电池板短路电流特性实验
按照图2-4所示，将电流表A直接接在太阳能电池组件的正负极。
光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量，并记录其短路电流。
实验连接图如下：
对于太阳能电池板采用串联方式，即将202与203相连，201作为正端，204作为负端，然后分别将201、204与电流表（#5）的正端和负端串联，打开光源后，观察表上的示数并记录。
2.3太阳能电池板IV特性测试实验
实验装置原理框图如图2-6所示
图2-6负载伏安特性测试
按照图2-6所示设计测量电路图，并连接电路。
连接图如下：
如图一所示，仍对太阳能电池板采用串联方式，将201端口与实验柜第四层电流表（#11）的正端相连，其负端与滑动变阻器的402端口相连，403端口与204端口相连。
然后将电压表（#12）的正端与201相连，负端与204相连（即并联在电路中）
光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量。
将太阳能光伏组件，电压表，电流表，负载电阻按照图1-3连接成回路，改变电阻阻值，用万用表分别测量401和402之间的电阻阻值，使阻值由小到大变化。
测量流经电阻的电流I和电阻上的电压V，即可得到该光伏组件的伏安特性曲线。
测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，辐照面积与角度不变化，以保证整个测量过程是在相同条件下进行的。
记录伏安特性曲线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。
电阻
光生电压（V）
光生电流（A）
相应功率
表2-1电池板负载电压与电流的伏安特性表
根据测量结果求短路电流
和开路电压
。
2.4太阳能电池板最大功率输出特性实验
为实现MPPT功能,采用输出功率比较法（扰动观察法）。
原则是周期性的增加或减小负载，以改变太阳能电池板的端电压（即输出电压），并观察负载变化前后的输出电压和输出电流的变化，得到输出功率的变化规律，使其始终朝大的方向改变。
即首先将负载阻值放在最低处，记录此时的太阳能电池输出电压、电流，计算得其输出功率,然后在这个电压基础上增加或减少一定幅值,再测量输出功率,比较测得的两个功率值,按照以上原则决定下次输出电压是增加或是减少。
如此反复的扰动观察，找到太阳能电池板在现有条件下的最大功率点。
图2-7最大功率点搜索示意图
此实验的连接方式与实验2.3相同。
记录下每次所测得的电压值和与之对应的功率值，根据2-7图的原理对所测得的值进行分析。
电压值（V）
电流值（A）
功率值（W）
表2-2负载——功率表
而功率数值可由触摸屏上读数而得，请及时的记录下电压和功率随着负载变化而变化的值，并画出以电压值为横轴，以功率值为纵轴的图形，并找出太阳能电池板的最大功率点。
（实验伏安特性效果图如2-1所示，最大功率与电压的输出图如图2-7所示。
）
2.5太阳能电池板填充因子计算实验
填充因子，FF，是太阳能电池品质（串联电阻和并联电阻）的量度。
其定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率。
即
由上述实验已知：
太阳能电池板的短路电流
和开路电压
。
因此，上式中的变量仅为实际输出的电压和电流值。
在实验过程中，可根据测出的电压值和电流值，计算出变化的填充因子，填入表中,以记录用手动调节法来跟踪最大功率点的过程。
电压值（V）
电流值（A）
填充因子（FF）
表2-3填充因子计算表
2.6太阳能电池板转换效率计算实验
如图2-3所示，打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察光伏板正负极之间是否有电压产生、电流表是否显示有电流产生，验证太阳能是否转变为电能。
模拟太阳光
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能
之比，即
（2-1）
该实验需要比较准确的测得照射在太阳能电池板上的总辐射能，由于我们的实验装置是采用普通金属卤素灯代替太阳光源，每个光源的辐照能量为500W/m2,计算组件接受辐照的面积，即可得到入射光功率。
通过选择不同的光照面积，测量不同光照面积下的开路电压与短路电流，即可得到输出部分的功率，从而计算得到相对应的转换效率。
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
接受辐照面积
S/m2
入射功率
Pin
开路电压
V
短路电流
I
输出功率
P
转换效率
η
通过选择不同光照面积得到相对应的转换效率η，查看相对应的η是否一致。
如不一致，思考其中差别的原因。
2.7开路电压与相对光强的函数关系
打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察光伏板正负极之间是否有电压产生、电流表是否显示有电流产生，验证太阳能是否转变为电能。
模拟太阳光
实验连接图如下：
在实验面板第二层上，按照电路图，将太阳能电池板两端通过201——204口进行并联或串联。
（串联方式：
202端口接203端口，201端口为串联后的正端，204端口为串联后的负端；并联方式：
201与203端口相连接，202与204相连接）
一、分别将太阳能电池板以串联和并联的方式连接，观察两种连接方式电流表和电压表的变化。
1、单块太阳能电池板：
201接电电压表6的正极端口，电压表的负极端口接202。
2、串联太阳能电池板：
201接电压表6正极端口，202接203，204接电压表的负极端口。
3、并联太阳能电池板：
201接203，202接204，201接电压表6正极端口，202接电压表6负极端口。
4、在组件表面覆盖不同种类的透光薄膜材料，观察记录得到的不同光照强度，记录下相对应的开路电压。
序号
测试项目
光照强度
电压
无薄膜覆盖
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料1
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料2
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料3
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
考虑是什么因素发生变化，光照强度和电压发生了变化，其变化规律是什么？
2.8短路电流与相对光强的函数关系
打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察光伏板正负极之间是否有电压产生、电流表是否显示有电流产生，验证太阳能是否转变为电能。
模拟太阳光
实验连接图如下：
在实验面板第二层上，按照电路图，将太阳能电池板两端通过201——204口进行并联或串联。
（串联方式：
202端口接203端口，201端口为串联后的正端，204端口为串联后的负端；并联方式：
201与203端口相连接，202与204相连接）
一、分别将太阳能电池板以串联和并联的方式连接，观察两种连接方式电流表和电压表的变化。
1、单块太阳能电池板：
201接电流表5的正极端口，电流表5的负极端口接202。
2、串联太阳能电池板：
201接电流表5正极端口，202接203，204接电流表5的负极端口。
3、并联太阳能电池板：
201接203，202接204，201接电流表5正极端口，202接电流表5负极端口。
4、在组件表面覆盖不同种类的透光薄膜材料，观察记录得到的不同光照强度，记录下相对应的短路电流。
序号
测试项目
光照强度
电流
无薄膜覆盖
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料1
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料2
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
薄膜材料3
单块太阳能能电池
串联太阳能电池板
并联太阳能电池板
考虑是什么因素发生变化，光照强度和电压发生了变化，其变化规律是什么？
2.9太阳能电池板PV特性测试实验
实验装置原理框图如图2-6所示
图2-6负载伏安特性测试
按照图2-6所示设计测量电路图，并连接电路。
连接图如下：
如图一所示，仍对太阳能电池板采用串联方式，将201端口与实验柜第四层电流表（#11）的正端相连，其负端与滑动变阻器的402端口相连，403端口与204端口相连。
然后将电压表（#12）的正端与201相连，负端与204相连（即并联在电路中）
光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量。
将太阳能光伏组件，电压表，电流表，负载电阻按照图1-3连接成回路，改变电阻阻值，用万用表分别测量401和402之间的电阻阻值，使阻值由小到大变化。
测量流经电阻的电流I和电阻上的电压V，即可得到该光伏组件的伏安特性曲线。
测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，辐照面积与角度不变化，以保证整个测量过程是在相同条件下进行的。
记录伏安特性曲线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。
电阻
光生电压（V）
光生电流（A）
相应功率（P）
表2-1电池板负载电压与电流的伏安特性表
根据测量结果求短路电流
和开路电压
。
2.10太阳能电池板暗伏安特性测试实验
该实验主要用于观察光伏电池组件在无照射情况下的伏安特性。
使用光照挡板遮挡住整个组件，打开光源，测量是否有相对应的短路电流与开路电压即可。
2.11太阳能电池板输出特性测试实验
实验装置原理框图如图2-6所示
图2-6负载伏安特性测试
按照图2-6所示设计测量电路图，并连接电路。
连接图如下：
如图一所示，仍对太阳能电池板采用串联方式，将201端口与实验柜第四层电流表（#11）的正端相连，其负端与滑动变阻器的402端口相连，403端口与204端口相连。
然后将电压表（#12）的正端与201相连，负端与204相连（即并联在电路中）
光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量。
将太阳能光伏组件，电压表，电流表，负载电阻按照图1-3连接成回路，改变电阻阻值，用万用表分别测量401和402之间的电阻阻值，使阻值由小到大变化。
测量流经电阻的电流I和电阻上的电压V，即可得到该光伏组件的伏安特性曲线。
测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，辐照面积与角度不变化，以保证整个测量过程是在相同条件下进行的。
记录伏安特性曲线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。
电阻
光生电压（V）
光生电流（A）
相应功率
表2-1电池板负载电压与电流的伏安特性表
根据测量结果求短路电流
和开路电压
。
2.12串联电阻对填充因子的影响实验
填充因子，FF，是太阳能电池品质（串联电阻和并联电阻）的量度。
其定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率。
即
由上述实验已知：
太阳能电池板的短路电流
和开路电压
。
因此，上式中的变量仅为实际输出的电压和电流值。
在实验过程中，可根据测出的电压值和电流值，计算出变化的填充因子，填入表中，以记录用手动调节法来跟踪最大功率点的过程。
电压值（V）
电流值（A）
填充因子（FF）
表2-3填充因子计算表
2.13并联电阻对填充因子的影响实验
填充因子，FF，是太阳能电池品质（串联电阻和并联电阻）的量度。
其定义为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率。
即
由上述实验已知：
太阳能电池板的短路电流
和开路电压
。
因此，上式中的变量仅为实际输出的电压和电流值。
在实验过程中，可根据测出的电压值和电流值，计算出变化的填充因子，填入表中,以记录用手动调节法来跟踪最大功率点的过程。
电压值（V）
电流值（A）
填充因子（FF）
表2-3填充因子计算表
2.14太阳能电池光谱特性测试实验
光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在.
为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。
分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定义是，当各种波长一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。
而绝对光谱响应指的是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子人射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应的短路电流变化曲线。
图3-1光谱曲线对短路电流的影响
除此之外，温度和光强以及辐照面积等都会对此电池的工作特性造成一定的影响。
因此，我们以下的实验主要考量一下这些因素对其工作特性的影响。
2.15太阳能电池串联开路电压测试实验
如下图所示，打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察光伏板正负极之间是否有电压产生、电流表是否显示有电流产生，验证太阳能是否转变为电能。
模拟太阳光
实验连接图如下：
在实验面板第二层上，按照电路图，将太阳能电池板两端通过201——204口进行并联或串联。
（串联方式：
202端口接203端口，201端口为串联后的正端，204端口为串联后的负端；并联方式：
201与203端口相连接，202与204相连接）
一、分别将太阳能电池板以串联和并联的方式连接，观察两种连接方式电流表和电压表的变化。
1、单块太阳能电池板：
201接电流表5的正极端口，电流表的负极端口接401，402接202，电压表6的正极端口接201，电压表的负极端口接202。
2、串联太阳能电池板：
201接电流表5的正极端口，电流表的负极端口接401，202接203，402接204，电压表6的正极端口接201，电压表的负极端口接204。
3、并联太阳能电池板：
201接203，202接204，203接电流表5的正极端口，电流表的负极端口接401，402接204，电压表6的正极端口接201，电压表的负极端口接202。
序号
测试项目
电流
电压
1
单块太阳能能电池
2
串联太阳能电池板
3
并联太阳能电池板
2.16太阳能电池串联短路电流测试实验
如下图所示，打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察光伏板正负极之间是否有电压产生、电流表是否显示有电流产生，验证太阳能是否转变为电能。
模拟太阳光
实验连接图如下：
在实验面板第二层上，按照电路图，将太阳能电池板两端通过201——204口
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