太阳能发电测试系统实验指导书.docx
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太阳能发电测试系统实验指导书
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
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
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。
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
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
10A12V/24VPV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
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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。
5、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
0
2
2
3
4
4
6
5
8
6
10
7
12
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！
实验四太阳能光伏板能量转换实验
一、实验目的：
了解太阳能发电系统的构成及其能量转化过程；
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：
光伏应用系统包括光伏阵列、蓄电池、控制器和逆变器等主要部件。
其构成图如下：
光伏阵列首先把太阳光辐射能量转换为P-N结的光生电场，通过阵列的引线把光生电场的电能以直流电能的形式传送出来。
这时的直流电能电压、电流、功率等都受光伏阵列的本身特性和工作环境影响，不够稳定。
光伏阵列输出的直流电能经由控制器的直-直或直-交变换后，得到稳定的直流或交流电能，可以直接供给直流或交流电机使用，这时电能将转化为机械能，机械能用于带动水泵，从而转化为水的重力势能。
而这些水如果用于存储发电，就可以再把水的重力势能再转化回到电能。
这样可以省掉蓄电池等能量存储设备。
另外，光伏阵列输出直流电能通过控制器的直—直变换功能，得到相对稳定的直流电能存储到蓄电池组中，成为稳定的可存储的直流电能。
蓄电池中的直流电能通过逆变器后，转化为交流电能。
交流电能可以供给用户使用，用于照明、动力等；也可以并入电网，传送至远方；还可以供给其他设备使用。
另外，在存储和转化过程中，不可避免的存在能量以热能或其他形式损耗和流失。
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。
3观测以下单元，确保部分指数为出厂状态，如果不能充电，请见本实验手册里面参
数调节章节。
4此时观察直流单元,观测光伏输入电压，并作出记录；
5分别测量蓄电池电压值和太阳能电压值，并记录下两个电压值，再接入太阳能；
6.观察充电电流表，记录下太阳能为蓄电池充电的电流值，此时光伏电池发出的电能被存到蓄电池中。
五、实验记录
实验题目：
太阳能光伏板能量转换实验
小组
实验时间
序号
项目
实验结果
1
蓄电池开路电压
2
太阳能开路电压
3
充电状态下蓄电池电压
4
充电状态下的太阳能电流
5
开始充电电压
6
10分钟后蓄电池电压
回答一下问题
1
电池板到蓄电池压降为多少
2
蓄电池到负载的压降
3
预计是什么环节造成以上偏差：
六、注意事项
1.本实验为了解性实验，所以只需要记录数据，观察现象就可以了。
2.太阳能发电系统还有其他形式，例如和柴油发电机或风机构成混合系统等。
有兴趣的同学请搜索资料加深了解。
实验五：
太阳能控制器工作原理实验
一、实验目的：
了解太阳能控制器的大致工作过程，了解太阳能控制器的原理、结构和保护等；
二、实验设备
序号
型号
备注
1
太阳能电池板
实验科研平台已配好。
2
太阳能控制器
实验科研平台已配好。
3
蓄电池组
实验科研平台已配好。
4
双踪示波器
自备。
三、实验原理：
太阳能控制器的主要作用是控制光伏组件和蓄电池一起构成的系统对负载进行供电，并对蓄电池进行充放电保护。
其结构如下图：
太阳能充电控制方案分为一点式控制法、PWM控制法，DC/DC的MPPT控制，短路式等。
本实验科研平台采用了串联型开路式PWM控制方法，此方法既可以应用于单路光伏组件输入系统，也可以用于多路光伏组件并联输入系统。
充电控制点主要依据蓄电池性能和要求而设定，通过检测蓄电池端电压，与蓄电池额定性能值比较，确定蓄电池状态，实现充电控制。
充电过程一般分为主充、均充和浮充三个阶段，有时在充电末期还以微小充电电流长时间持续充电的涓流充电。
在主充阶段，PWM占空比为最大值，即全通，确保此阶段以大电流快速对蓄电池进行充电；当蓄电池端电压达到均充点时，PWM占空比随电压增加而减小，以较低的恒定电流值对蓄电池进行充电，此阶段充电可以使串联中的单体蓄电池电压和容量相互平衡；在蓄电池快速充电至80%~90%容量后，转入浮充模式，以恒定电压对蓄电池进行充电，充电电流随着蓄电池电压的升高而减小，直到蓄电池电压和充电电压相等时，充电自动停止。
这样适应于充电后期蓄电池可接受充电电流的减小，同时可以避免蓄电池过充；为防止蓄电池充电不足，还有涓流充电，使蓄电池充电彻底。
当蓄电池电压在正常范围内的时候，控制器放电回路接通，输出直流电能，为负载供电；当蓄电池发生欠压或过压时，断开输出回路；当蓄电池因充电，电压恢复高于欠压恢复点之后，再次接通输出回路为负载供电；当蓄电池过压时，控制器断开输出回路；电压恢复到过压恢复点以下后，接通输出回路。
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，先打开蓄电池开关，再打开太阳能电池开关。
3此时观察直流单元,观测光伏输入电压，并作出记录；
4调节电阻器，观察光伏输入电流，电压表，并记录数据。
5如果示波器可以采集到电压波形的占空比，则记录占空比的值，填入下表。
五、实验方法：
连接图如下所示
六、注意事项
1.操作时，不要带电接线；先将实验接线接好，然后闭合蓄电池空开，再闭合太阳能空开。
2.测量充电波形时，注意人身和设备安全！
实验六光伏控制器充放电保护实验
一、实验目的：
了解太阳能控制器充电放电保护特性；
二、实验设备：
序号
型号
备注
1
太阳能电池板
实验科研平台已配好。
2
太阳能控制器
实验科研平台已配好。
3
蓄电池组
实验科研平台已配好。
4
万用表
自备
5
直流负载
与太阳能输出电压等级相匹配，自备
6
双踪示波器
自备
三、实验原理：
控制器的充放电保护特性取决于光伏发电系统选用的蓄电池的充放电特性，另外在输出发生过载、过流或短路等故障时，控制器将采取适当的保护措施。
充电过程中，蓄电池电压比较低时，使用大电流充电，充电回路功率开关器件处于全通状态，使蓄电池电压尽快恢复；当蓄电池电量达到一定程度后，限制为蓄电池充电的电流大小，同时以一恒定的电压为蓄电池充电，这时，充电电流会随着蓄电池电量的增加、电压的升高而减小；当蓄电池电压达到充电保护点后，控制器将停止充电，以确保蓄电池不会电压过高，因为如果蓄电池充电过满，电压过高，则会出现大量气体析出，损害蓄电池的性能，缩短蓄电池的寿命。
蓄电池的放电特性将会严重影响蓄电池的充电特性。
蓄电池放电深度越大，蓄电池放出电量越多，蓄电池可接受的充电电流越小，充电速度也就越慢；蓄电池放电电流越大，再充电时可接受的充电电流也就越大，有利于提高充电速度，但是蓄电池放电电流流经内阻时，会产生大量热量，导致蓄电池温度上升，所以又必须限制充电电流。
放电过程中，如果蓄电池出现欠压时，为防止其放电过深，控制器确认欠压发生后，将延时若干分钟，关断输出回路开关管KM1；当蓄电池电压因充电恢复到欠压恢复点以上后，控制器将自动闭合KM1接通负载，恢复输出供电！
如果蓄电池出现过压时，可能对输出负载造成影响，同时蓄电池电压过高可能会加大放电电流，增加蓄电池温升，所以要实现过压保护；当蓄电池因放电恢复到过压恢复点以下时，控制器将自动闭合KM1接通负载，恢复输出供电！
以下是参数设置介绍及参数设置范围：
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，打开蓄电池开关。
3在加入负载和太阳能电池板前测量蓄电池电压值，此时最好的实验状态是蓄电池电压为12V～13V之间；或者调节下图示意的R11电阻，从而影响CPU采样数据，来模拟蓄电池电压的不同状态。
4测量蓄电池端电压或者记录实时监控屏幕显示电压，观察风扇动作情况，备注采样电阻电路有滤波延迟滞后，反应会延后一点时间。
4修改一次下电值，过放恢复值等，再次观察风扇转动情况，验证欠过压设置问题。
注：
通过卤素灯的照射来模拟白天，此时太阳能电池指使电压电流表会指示太阳能电池
充电电压和充电电流，然后用布遮住太阳能电池后，等待一段时间后，控制器就能切换到输出状态，12VLED灯亮，12V直流风扇开始工作。
反复上面的操作，控制器就能重复同样的动作。
分别把太阳能电池输入端子和蓄电池输入端子反接（蓄电池输入端子反接不做！
！
！
！
！
），控制器不工作，不显示夜间防反充实验可以把太阳能电池用布遮住后（模拟晚上情况），查看太阳能电池的电流表的读数来确定，正常情况下，应为零。
五、实验结果：
通过读取电流电压表上的数据就能知道太阳能板的充电电流电压。
通过观察控制
器上显示内容和负载的工作状态，就能了解太阳能控制器的工作原理和夜间防反充保护和反接保护。
实验七控制器的各项保护功能实验
实验目的：
了解太阳能控制器的过欠压保护
实验方法：
连接如下图所示
本实验由于要做过欠压保护，所以只能使用可调直流操作电源来模拟太阳能电池输入
和蓄电池输入。
调节第一路操作电源到24V模拟蓄电池电压，然后调节第二路电
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