风光互补部分实验.docx

1、风光互补部分实验1光伏电池方阵的安装1.1实训的目的和要求 1.实训的目的了解单晶硅光伏电池单体的工作原理。掌握光伏电池方阵的安装方法。 2.实训的要求在室外自然光照的情况下,用万用表测量光伏电池组件的开路电压，了解光伏电池的输出电压值。在室外自然光照条件下和在室内灯光的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压，分析光伏电池方阵在室内、外光照条件下开路电压区别的原因。1.2基本原理(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

2、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，这些共价键完好，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。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

3、。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，其导电能力显著增加。 (2) P型半导体和N型半导体纯净半导体中加入了微量三价元素或五价元素，其导电能力会明显增强。三价元素的原子核的最外层有三个价电子，在形成共价键时，产生了一个空穴。五价元素的原子核的最外层有五个价电子，在形成共价键时，产生了一个自由电子。在本征硅半导体中掺入微量三价元素（例如硼元素）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（例如磷元素）

4、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

5、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，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。图2-1所示是半导体PN结的结构示意图。图 2-1 半导体PN结的结构示意图 内建电场方向 扩散运动方向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

6、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，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。(4)光伏电池光伏电池是半导体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 击，获得能量，摆脱共价键的束缚，产生电子和空穴，被太阳光子激发产生的电子和空穴在 半导体中复合，不呈现导电作用。在P

7、N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，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。光伏电池单体是光电转换最小的单元，尺寸为4100cm2不等。光伏电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为2025mA/cm2。光伏电池单体不能单独作为光伏电源使用， 将光伏电池单体进行串、并联封

8、装后，构成光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是单独作为光伏电源使用的最小单元。光伏电池组件的光伏电池的标准数量是36片（lOcmX 10cm),大约能产生17V左右的电压，能为额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。图2-2 是标准的光伏电池组件。光伏电池组件经过串、并联组合安装在支架上，构成了光伏电池方 阵，可以满足光伏发电系统负载所要求的输出功率。图2-2 光伏电池组件目前主要有三种商品化的硅光伏电池;单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池所使用的单晶硅材料与半导体行业所使用的材料有相同的品质，成本比较贵，光电转换效率为13%15%。多晶硅光伏电池的制造成本比单

9、晶硅光伏电池低， 光电转换效率比单晶硅太阳能电池要低，一般为10%12%。非晶硅光伏电池属于薄膜电池，造价低廉，光电转换率比较低，一般为5%8%光伏电池组件正面采用高透光率的钢化玻璃，背面是聚乙烯氟化物膜，光伏电池两边用EVA或PVB胶热压封装.四周用轻质铝型材边框固定，由接线盒引出电极。由于玻璃、密封胶的透光率的影响以及光伏电池之间性能失配等因素，组件的光电转换效率一般要比光伏电池单体的光电转换效率低5%10%。1.3实训内容在室外自然光照的情况下，用万用表测量1块单晶硅光伏电池组件的开路电压，计算光伏电池单体的工作电压。将4块单晶硅光伏电池组件安装在铝型材支架上，光伏电池组件并联连接。在室

10、内、外光照的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压。将4块单晶硅光伏电池组件2串联2并联连接，在室内、外光照的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压。1.4操作步骤（1）使用的器材和工具单晶硅光伏电池组件，数量：4块。铝型材，型号：XC-6-2020，数量：4根，长度：860mm。铝型材，型号：XC-6-2020，数量：2根，长度：760mm。万用表，数量：1块。内六角扳手，数量：1套。十字型螺丝刀和一字型螺丝刀，数量：各1把。螺丝、螺母若干。（2）操作步骤用万用表测量光伏电池组件上的光伏电池的连接线，了解光伏电池实现组件的封装。将1块光伏电池组件移至室外，让光伏电池组件正对着自然光线

11、。用万用表直流电压挡的合适量程测量单晶硅光伏电池组件的开路电压，记录开路电压数值。统计光伏电池组件上光伏电池单体的数量，计算光伏电池单体的工作电压。将光伏电池组件的开路电压和光伏电池单体的工作电压填入表2-1中。表2-1光伏电池组件的开路电压和光伏电池单体的工作电压光伏电池组件开路电压U/V光伏电池单体数量/块光伏电池单体工作电压 将4块光伏电池组件安装在铝型材支架上，形成光伏电池方阵，如图2-3所示要求 光伏电池方阵排列整齐，紧固件不松动，4块光伏电池组件引出线进行并联连接。将安装好的光伏电池方阵移至室外，让光伏电池方阵正对着自然光线。用万用表直流电 压挡的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压

12、，记录开路电压数值。将安装好的光伏电池方阵移至室内，让光伏电池方阵正对着室内灯光。用万用表直流电 压挡的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。4块光伏电池组件引出线进行2串2并连接，移至室外。让光伏电池方阵正对着自 然光线。用万用表直流电压挡的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。图2-3光伏电池组件安装成光伏电池方阵示意图将2串2并连接的光伏电池方阵移至室内，正对着室内灯光。用万用表直流电压挡的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。将上述的开路电压数值填入表2-2内。表2-2光伏电池方阵的开路电压条件光伏电池组件并联开路电压U/V光伏电池组件2

13、串2并开路电压U/V室外室内1. 5 小结2光伏供电装置组装2.1实训的目的和要求(1)实训的目的了解光伏供电装置的组成。理解水平和俯仰方向运动机构的结构，(2)实训的要求组装光伏供电装置。根据光伏供电系统主电路电气原理图和接插座图，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。2.2基本原理光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、摆杆支架、摆杆减速箱、单相交流电动机、电容器、水平方向和俯仰方向运动机构、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成。(1)水平方向和俯仰方向运动机构水平方向和俯仰方向运动机构如图2-4所示。水平方向和俯仰

14、方向运动机构中有两个减 速箱，一个称为水平方向运动减速箱，另一.个称为俯仰方向运动减速箱，这两个减速箱的减 速比为1:80，分别由水平运动和俯仰运动直流电动机通过传动链条驱动。光伏电池方阵安 装在水平方向和俯仰方向运动机构的上方，如图2-5所示，当水平方向和俯仰方向运动机构 运动时，带动光伏电池方阵作水平方向偏转移动和俯仰方向偏转移动。图2-4 水平方向和俯仰方向运动机构 图2-5 光伏电池方阵与水平方向和俯仰方向运动机构(2)光源移动机构摆杆支架安装在摆杆减速箱的输出轴上，摆杆减速箱的减速比为1 : 3000。摆杆减速箱 由单相交流电动机驱动，摆杆支架上方安装2盏300W的投射灯，组成如图2

15、-6所示的光源 移动机构。当交流电动机旋转时，投射灯随摆杆支架作圆周移动，实现投射灯光源的连续运动。(3) 光线传感器光线传感器安装在光伏电池方阵中央，用于获取不同位置的投射灯的光照强度。光线传感器通过光线传感控制盒，将东、西、北、南方向的投射灯的光强信号转换成开关量信号传输给光伏供电系统的PLC，由PLC进行相应的控制。(4)光伏供电装置结构水平方向和俯仰方向运动机构、光源移动机构分别安装在底座支架上，组成光伏供电装 置。图2-7是光伏供电装置底座支架示意图，图2-8是光伏供电装置示意图，图2-9和图2- 10分别是光伏电池方阵偏转移动示意图和投射灯光源连续运动示意图。图2-6 光源移动机构

16、(5)接近开关和微动开关水平方向和俯仰方向运动机构中装有接近开关和微动开关，用于提供光伏电池方阵作水平偏转和俯仰偏转的极限与光源移动机构连接的底座支架部分装有接近开关和微动开关，微动开关用于限位，接近开关用于提供午日位置信号。2.3实训内容完成光伏供电装置的组装。整理水平和俯仰方向运动机构、投射灯、单相交流电动机、接近开关和微动开关的电源线、信号线和控制线，根据CON1CON7接插座图，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。2.4操作步骤（1）使用的器材和工具光伏电池方阵、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构， 数量：各1个。摆杆减速箱，减速比1:3000;单相交流电

17、动机，AC220V/90W;电容器，47F/450V；摆杆支架。数量：各1个。投射灯，300W，数量：2个。接近开关，数量：2个。微动开关，数量：4个。底座支架，数量：1个。接插座，数量：7个。万用表，数量：1块。电烙铁，热风枪，数量：各1把。螺丝、螺母若干。连接线、热缩管若干。（2）操作步骤将光线传感器安装在光伏电池方阵中央，然后将光伏电池方阵安装在水平方向和俯仰方向运动机构的支架上，再将光线传感控制盒装在底座支架上，要求紧固件不松动。将水平方向和俯仰方向运动机构中的两个直流电动机分别接入+ 24V电源，光伏电池方阵匀速作水平方向或俯仰方向的偏移运动。将摆杆支架安装在摆杆减速箱的输出轴，然后

18、将摆杆减速箱固定在底座支架上，再将2盏投射灯安装在摆杆支架上方的支架上，要求紧固件不松动。根据光伏供电主电路电气原理图和接插座图，焊接水平方向和俯仰方向运动机构、 单相交流电动机、电容器、投射灯、光线传感器、光线传感控制盒、电容器、接近开关和微动开关的引出线。引出线的焊接要光滑、可靠，焊接端口使用热缩管绝缘。整理上述焊接好的引出线，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中，接插座端的引出线使用管型端子和接线标号。2.5小结3水平轴永磁同步风力发电机组装3.1实训的目的和要求（1） 实训的目的 通过实训了解水平轴永磁同步风力发电机的组成。 通过实训掌握水平轴永磁同步风力发电机的安装。（2）实训

19、的要求完成300W水平轴永磁同步风力发电机组装。3.2基本原理风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，由风力机和发电机两部分组成。 空气流动的动能作用在风力机风轮叶片上，推动风轮旋转，将空气流动的动能转变成风轮旋 转的机械能。风力机风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动驱动发电机轴及转子 旋转，发电机将机械能转变成电能。小型永磁同步风力发电机结构简单，主要由风轮、发电机、尾舵、机舱、塔架和基础等组成。3.3实训内容将风轮叶片、轮毂、发电机、尾舵、尾舵梁、侧风偏航机构、机舱、塔架和基础组装成 水平轴永磁同步风力发电机组。3. 4操作步骤(1)使用的器材和工具 风轮叶片.数量：3片。

20、 轮毂，数量：1个。 发电机，数量：1个。 尾舵、尾舵梁、侧风偏航机构，数量：各1个。 机舱，数量：1个。 塔架、基础，数量：各1个。 内六角扳手，数量：1套。 (2) 操作步骤 将发电机安装在机舱内。 安装轮毂和风轮叶片。 将基本成型的风力发电机安装在塔架上。 将侧风偏航机构装在尾舵梁上，尾舵梁另一端固定在机舱上并装上尾舵。3. 5小结 4模拟风场装置组装4.1实训的目的和要求 （1） 实训的目的 通过实训了解模拟风场装置的组成。 通过实训掌握模拟风场装置的安装。 （2）实训的要求 完成模拟风场装置的安装。4.2基本原理 风力发电机的风轮受风旋转，带动发电机输出电能。风场是风力发电的源动力。

21、风的大小和方向有随机性，实验室的风力发电装置需要提供合理的模拟风场。 (1) 风力等级 风力等级简称风级，是风强度的一种表示方法。国际上采用的是英国人蒲福于1805年 所拟定的风级，称为蒲福风级，从静风到飓风分为13级，如表4-1所示。表4-1蒲福风级表风力等级名称相当于地面10m高处的风速/（m/s）陆上地物征象0静风0.00.2静，烟直上1软风0.31.5烟能表示方向，树叶略有摇动2软风1.63.3人面感觉有风，树叶略有摇动3微风3.35.4树叶及小枝摇动不自,旗子展开，高的摇动不息4和风5.57.9能吹起地面灰尘和纸张，树技动手，高的草呈波浪起伏5清劲风8.010.7有叶子的小树摇摆，内

22、陆的水面有小波，高的草波浪起伏明显6强风10.813.8大树技摇动，电缆线呼呼有声，撑伞困难7疾风13.917.1全树摇动，大树技弯下来，迎风前行感觉阻力大8大风17.220.7可折毁小树技，人迎风前行感觉阻力大9烈风20.824.4草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树技可折断10狂风24.528.4树木可被吹倒，一般建筑遭破坏11暴风28.532.6大树可被吹倒，一般建筑遭破坏12飓风32.6陆上少见，其摧毁力极大（2）风向 风向一般用16个方位表示，即北东北（NNE)、东北（NE)、东东北（ENE)、东 (E)、东东南（ESE)、东南（SE)、南东南（SSE)、南（S)、南西南（SSW)、西南

23、(SW)、西西南（WSW)、西（W)、西西北（WNW)、西北（NW)、北西北（NNW)、北 (N)。风向也可以用角度来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为90T：，南风为 180*0,西风为270C,北风为360t （3）模拟风场 模拟风场由轴流风机、轴流风机框罩、测速仪、风场运动机构、风场运动机构箱、 单相交流电动机、电容器、连杆、滚轮、万向轮、微动开关、护栏组成。 轴流风机安装在轴流风机框罩内，轴流风机框罩安装在风场运动机构上，轴流风机提供可变风源。 风场运动机构由传动齿轮链机构组成，单相交流电动机和风场运动机构安装在风场运动机构箱中，风场运动机构箱与风力发电机塔架用连杆连接。当单相

24、交流电动机旋转时， 传动齿轮链机构带动滚轮运动，风场运动机构箱围绕风力发电机的塔架作圆周旋转运动。当 轴流风机输送可变风量风时，在风力发电机周围形成风向和风速可变的风场。 测速仪安装在风力发电机与轴流风机框罩之间，用于检测模拟风场的风量。 万向轮支撑风场运动机构。 微动开关用于风场运动机构限位。4.3实训内容 完成模拟风场装置的组装。 整理轴流风机、轴流风机支架、单相交流电动机、测速仪、测速仪支架、接近开关和微动开关的电源线、信号线和控制线，根据C0N9、C0N11和CON12接插座图，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。4.4操作步骤 （1）使用的器材和工具 轴流风机框罩、风场运动机

25、构箱、连杆、护栏，数量：各1个。 轴流风机，AC220V/370W;轴流风机支架，数量：各1个。 单相交流电动机，AC220V/90W，减速比1:140，数量：1个。 电容器，47F/450V，数量：1个。 风场运动机构：齿轮，数量：2个；链条，数量：1根。 滚轮，数量：1个。 万向轮，数量：2个。 测速仪，输出：0+5V,数量：1个。 微动开关，数量：2个。 接插座，数量：3个。 万用表，数量：块。 电烙铁、热风枪，数量：各1把。 螺丝、螺母若干。 连接线、热缩管若干。 内六角扳手，数量. 1套。 （2）操作步骤 将单相交流电动机、电容器安装在风场运动机构箱内，再将滚轮、万向轮安装在风 场运

26、动机构箱底部。 用齿轮和链条连接单相交流电动机和滚轮。 将轴流风机安装在轴流风机支架上，再将轴流风机和轴流风机支架安装在轴流风机 框罩，然后将轴流风机框罩安装在风场运动机构箱上，要求紧固件不松动。 在风力发电机塔架座上安装2个微动开关。 用连杆将风场运动机构箱与风力发电机塔架座连接起来。 根据风力供电主电路电气原理图和接插座图，焊接轴流风机、单相交流电动机、电容器、微动开关的引出线，引出线的焊接要光滑、可靠，焊接端口使用热缩管绝缘。 整理上述焊接好的引出线，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中，接插 座端的引出线使用管型端子和接线标号。4.5小结5侧风偏航装置组装5.1实训的目的和要求（

27、1）实训的目的 通过实训了解风力发电机被动偏航和主动偏航的原理。 通过实训了解水平轴永磁同步风力发电机被动偏航中侧风偏航装置的结构。（2）实训的要求 完成水平轴永磁同步风力发电机侧风偏航齿轮传动装置的组装。 完成水平轴永磁同步风力发电机侧风偏航传感器的安装。5. 2基本原理（1）偏航控制系统 偏航控制系统一般分为两类：被动迎风偏航系统和主动迎风偏航系统。被动偏航系统多用于小型风力发电机，当风向改变时，风力发电机通过尾舵进行被动对风。主动迎风偏航系 统多用于大型风力发电机，由风向标发出的风向信号进行主动对风控制。由于风向经常变 化，被动迎风偏航系统和主动迎风偏航系统都是通过不断转动风力发电机的机

28、舱，让风力机 叶片始终正面受风，增大风能捕获率。小型风力发电机多采用尾舵达到对风的目的。自然界风速的大小和方向在不断地变化，因此风力发电机必须采取措施适应这些变化。尾舵的作用是使风轮能随风向的变化而作相应 的转动，以保持风轮始终和风向垂直。尾舵调向结构简单，调向可靠，至今还广泛应用于小 型风力发电机的调向。尾舵由尾舵梁固定，尾舵梁另一端固定在机舱上，尾舵板一直顺着风 向，所以使风轮也对准风向，达到对风的目的。（2）侧风偏航控制系统 风力发电机风轮叶片在气流作用下产生力矩，驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传 导系统。定桨距风轮在风轮转速恒定的条件下，风速增加超过额定风速时，如果风流与叶片分离，

29、叶片将处“失速”状态，输出功率降低，发电机不会因超负荷而烧毁。变桨距风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率可稳定地保持在额定功率上，特别是在大风情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。 小型风力发电机多采用定桨距风轮。本实训的风力发电系统安装了自发研制的侧风偏航控制机构，如图4-1所示。当测速仪检测到风场的风量超过安全值时，侧风偏航控制机构动作，使尾舵侧风，风力发电机风轮叶片将处于“失速”状态，风轮转速变慢，确保风力发电机输出稳定的功率。当风场的风量过大时，尾舵侧风90%风轮转速极低，风力发电机处于制动状态，保护发电机的安全。5.3实训内容

30、 完成侧风偏航装置的组装。 整理直流电动机、接近开关和微动开关的电源线、信号线和控制线，根据CONIO接插座图，将电源线、信号线和控制线接在接插座中。5.4操作步骤 （1）使用的器材和工具 尾舵板，数量：1块。 尾舵梁，数量：1根。 尾舵铰链，数量：1个。 安装板，安装板支撑架，数量：各1块。 传动小齿轮（减速），数量：1副。 直流电动机，DC24V，数量：1个。 接近开关，数量：1个；微动开关，数量：2个。 接插座，数量：1个。 万用表，数量：1块。 电烙铁、热风枪，数量：各1把。 螺丝、螺母若干。 连接线、热缩管若干。 （2）操作步骤 将安装板固定在安装板支撑架上，然后将直流电动机安装在安装板下方，再将小齿 轮安装在直流电动机的轴上，最后，将安装板支撑架固定在尾舵梁上。要求紧固件不松动。 将接近开关和微动开关安装在安装板上。要求紧固件不松动。 将传动齿轮中的大齿轮装在尾舵铰链底部，再将尾舵铰链安装在尾舵梁上。要求紧固件不松动。 根据CONIO接插座图，焊接直流电动机、接近开关和微动开关的引出线。引出线的 焊接要光滑、可靠，焊接端口使