修改太阳能实验指导书6月.doc

太阳能电源技术及其应用装置

实 验 指 导 书

（2012年5月）

王 娜 编
刘重轩 审

西安思源学院
2012年5月
前 言

随着教学改革的不断深化，电气工程类各专业的教学内容和教学方式都产生了很大变化。加强实验教学环节，提高学生的动手能力已经成为人们的共识。
太阳能电源技术及其应用装置实验课是《光伏发电技术》的重要组成部分。本实验讲义注重掌握实验基本原理和方法，并运用课堂上学到的光伏发电原理及光伏发电系统的组成、环境条件对系统工作的影响等理论，来分析研究实验中的各种问题，得出必要的结论，从而达到培养学生掌握光伏发电原理及光伏发电系统的组成，并运用所学知识完成光伏发电系统设计、维护等工作。
本实验讲义是针对光伏实验室的“TKTD-1型 太阳能电源技术及其应用装置”编写的，适用于新能源发电专业和电力系统自动化专业课程的实验教学。在内容上详细介绍了实验的目的、实验原理、实验步骤、注意事项等，使学生更容易了解实验过程。内容包括：太阳能电池发电原理、太阳能电池板能量转换、环境对光伏转换影响、光伏控制型太阳能系统发电、光伏控制器工作原理及充放电保护等相关实验内容，以及太阳能光伏系统电器负载实训和太阳能路灯、太阳能警示灯等应用系统实例。
本讲义由王娜编写，刘重轩教授审定，在编写过程中得到了实验室于正刚老师的大力支持，一并表示感谢。
由于编者的水平有限，时间仓促，难免有纰漏之处，敬请读者批评指正。

编 者
2012年5月
目 录

第一章 TKTD-1型 太阳能电源技术及其应用装置简介……………………1
1-1 控制柜介绍及操作说明……………………………………………1
1-2实验控制屏…………………………………………………………2
实验一 太阳能电池发电原理实验 ……………………………………3
实验二 太阳能电池板能量转换实验 ………………………………7
实验三 环境对光伏转换影响实验 …………………………………13
实验四 太阳能电池直接负载实验……………………………………19
实验五 光伏控制型太阳能系统发电实验……………………………26
实验六 光伏控制器工作原理实验……………………………………30
实验七 光伏控制器充放电保护实验…………………………………35
实验八 太阳能光伏系统电器负载实训 ………………………………38
实验九 太阳能路灯实验………………………………………………40
实验十 太阳能警示灯实验……………………………………………42
实验十一 逆变器逆变实验……………………………………………44
附 录…………………………………………………………………………46

51

第一章 TKTD-1型 太阳能电源技术及其应用装置简介
1-1 控制柜介绍及操作说明
一、概述
太阳能光伏发电具有无枯竭、无公害、资源分配广泛等优点。在太阳能路灯、太阳能草坪、太阳能庭院灯等通信和工业中应用的微波中继站、光缆通信系统、水文观测系统、气象和地震台站等中得到了广泛的应用。
“TKTD-1型 太阳能电源技术及其应用装置”主要是针对职业院校实训教学需求研制，帮助学生理解太阳能光伏发电原理，学习工程应用技能。
二、装置特点
1．采用了发光（光谱）接近太阳光的氙气灯来模拟太阳光。使得实训项目随时都可以进行。从而不需要受天气变化的限制。
2．工程实用价值强，所采用的电池板（90W）、智能控制器、蓄电池、路灯、警示灯均与现场应用中一样，可使学生深刻理解太阳能光伏发电的现场应用。
3．整个实训装置的各个部分是完全独立的，学生在实训过程中可完全根据自己对太阳能光伏发电应用的理解自己动手连接。
4．采用标准工业用电池板，可置于户内和户外，角度可以调节。
5．提供多种应用实训：太阳能路灯、太阳能警示灯和逆变电源等。
三、技术参数
1．输入电源：380V±10％ 50Hz
2．容量：<100VA
3．工作环境：温度-10℃～+40℃　相对湿度＜85％（25℃）　海拔＜4000m

实验控制台 跟踪装置

1-2实验控制屏

1. 光伏控制器
控制器的六个端口都引到面板上来，安装光伏系统时控制器应与蓄电池相连接，然后再接负载或太阳
能板，不可用太阳能的电能直接带负载。
2.面板仪表
面板下部设置有±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为直流电源的电压及电流指示；面板上部设置有500V交流电压表和最大量程为5A的交流电流表，精度为0.5级，能为逆变电源的电压及电流指示。
3.负载
提供太阳能路灯、太阳能警示灯、风机、白炽灯灯负载。
实验一 太阳能电池发电原理实验
一、实验目的：
了解太阳能电池发电的原理。
二、实验设备：
序号
名 称
备 注
1
太阳能教学平台

2
太阳能电池板

3
万用表
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,它只要一受到光照，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时，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：

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、太阳能电池板关键参数：
不同光强度光伏器件的伏安特性见图1.4。
短路电流（Isc）：当太阳能电池两端是短路状态时进行测定的电流。该电流随光强度按比例增加，见图1.5。

图1.4 图1.5
开路电压（Uoc）：太阳能电池电路将两端负荷断开后测量的电压，称为开路电压。该数值随光强度按指数函数规律增加，其特点是在低光强度值时，仍保持一定的开路电压，见图1.6。

图1.6开路电压Uoc与光强度（照度）的关系 图1.7太阳能电池板开路电压测试电路图
五、实验步骤
1 ．将太阳能电池板与控制器相连的开关打到“断”档位，确保光源的电源开关处在“断”的档位，“控制器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，“逆变器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，用两头是7芯的航空插头连接线将太阳能电池板与实验台相连（太阳能板的航空插座与实验台右侧的航空插座），
2．打开仪表的电源开关，按照图1.7连接太阳能电池板开路电压测试电路。
3．将太阳能电池板正对着光源，将光源的的开关打到“开”，调节“光源控制”的电位器即可改变光源的亮度，改变光源的亮度,同时记录电压值V ，即为太阳能电池板的开路电压Uoc
4．重复实验步骤1、2、3，4，按照图1.8 连接太阳能电池板短路电测试电路。改变光源的亮度,同时记录电流值I ，即为太阳能电池板的短路电流Isc

图1.8 太阳能电池板短路电流测试电路
5. 重复实验步骤1、2、3，4， 按照图1.9连接太阳能电池板伏安特性测试电路。从大到小调节负载电阻R ，同时记录电压值V 、电流值I 。

图1.9太阳能电池板伏安特性测试电路
6.使用可调负载，按下表中的阻值调节可调负载，测量在此时光照强度下的负载电阻值、电压值和电流值，计算何负载值时太阳能电池输出功率最大？最大功率是多少？
编号
负载/Ω
电压/V
电流/mA
功率/mW
1
900

2
800

3
700

4
600

5
500

6
400

7
300

8
200

7.实验结束后，切断光源电源，关闭仪表电源，最后关断实验台总电源。拆除实验连接线。
六、注意事项
1.本实验为了解性实验。
2.如有想了解太阳能电池的详细发电原理的同学，请查询相关详细资料。
3.光源点亮后，灯管温度很高，禁止触摸，以免烧伤。
4.每次光源关断后，其灯管温度仍是很高，等灯管温度很低时才可再次开启光源开关（避免灯管容易烧坏）。
实验二 太阳能电池板能量转换实验
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。外部环境对太阳能电池的转换影响。
二、实验设备：
序号
名 称
备 注
1
太阳能教学平台

2
太阳能电池板

3
半透光、足够大的遮挡板
自备
4
万用表
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。其构成如图2.1所示：

图2.1
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本身特性和工作环境影响，不够稳定。
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2.2光伏电池各个参数与负载电阻RL之间的关系线所示，光伏电池的输出电流随负载电阻RL的增大而非线性减小，光伏电池的输出电压随负载电阻RL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，其特性曲线如图2.3所示：
图2.2 光伏电池 图2.3 光伏电池输出特性曲线
太阳能电池光伏变换效率：输出电功率与输入太阳能之比
变换效率η（％）= ×100%
= Pmax[kW]/(E[kW/m2] ×A[m2]) ×100%
日照强度为1kW/m2
日照强度改变时引起的效率变化见图2.4。

图2.4
工作温度对太阳能电池伏安特性的影响：
一般来说，由于温度升高，将使电流电压的额定数值略有变化，但在25℃标准温度左右变化不大，即开路电压和效率下降，短路电流升高，故在光伏系统工程设计时应对组件温度升高时添加一定的温度修正系数，见图2.5。

图2.5
太阳能电池的等值电路和伏安特性：
目前最典型的太阳能电池如图2.6所示：

图2.6
由图2.6可见，太阳能光电池由于电极表面有横向电流流过，故在等值电路中应该串联一个电阻。其等效电路如图2.7所示：

图2.7
在图中，PN结由PN结合部和串联电阻Rs组成，Rs为考虑横向电流的等效电阻。用公式表示的太阳能电池发电状态的电流方程为：
IL= Iph-ID-Ish
式中Iph为光电流；ID为PN结的正向电流；Ish为PN结的漏电流。
用电压表示太阳能电池等效电路的基本方程为：
Uj=UL+ILRS
式中Uj为PN结合部端电压；UL为负荷RL两端电压：IL为负荷电流。
IL=Iph-A[exp(q/BkT)( UL+ILRS)-1]-（UL+ILRS）/Rsh
式中A为PN结材料特性有关的系数；B为与PN结材料特性有关的系数；K为波兹曼常数：T为绝对温度；Rsh为考虑PN结缺陷的分路电阻；q为电荷电量，q=1.602×10-19。
Ish= Uj/ Rsh
ID=A[exp(q Uj) /BkT -1]
RS 和Rsh对伏安特性的影响：
（1） 串联电阻RS的影响
当RS增大时，会引起变换效率η降低，短路电流下降，但对开路电压的影响不大。在太阳能实际使用时需要注意：人为增加组件之间的电缆连接，可以认为是增加了串联电阻RS。
（2） 并联电阻RSh的影响
RSh是在PN结生产制造过程中产生的，与外部的参数无关。RSh增大会使效率降低，但短路电流基本不变，开路电压Uoc稍有下降。
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，光伏阵列输出的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经过逆变后，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。
此外，在转化和存储过程中，不可避免地存在能量以热能或其他形式损耗和流失。
四、实验步骤
1．将太阳能电池板与控制器相连的开关打到“断”档位，确保光源的电源开关处在“断”的档位，“控制器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，“逆变器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，用两头是7芯的航空插头连接线将太阳能电池板与实验台相连（太阳能板的航空插座与实验台右侧的航空插座），
2.打开仪表的电源开关，太阳能电池板正对着光源，将光源的的开关打到“开”，调节“光源控制”的电位器即可改变光源的亮度
3.实验1的基础上计算此时太阳能电池的转换效率。
4．用半遮光板，遮蔽太阳能电池，测量此时光线强度。计算此时太阳能电池的转换效率。
5.比光线强度与转换效率（η）之间的关系，画出关系曲线。
6．下表中的间隔时间观察并记录蓄电池的电压。在充足的光照下，蓄电池的电压应该是逐渐上升的（虽然上升幅度不大），这一现象说明太阳能电池板已经产生电能并输送给蓄电池储存。
序号
间隔时间 / 分钟
蓄电池电压 / V
1
15

2
15

3
15

4
15

7.验结束后，切断光源电源，关闭仪表电源，最后关断实验台总电源。拆除实验连接线。
五、注意事项
1.光源点亮后，灯管温度很高，禁止触摸，以免烧伤。
2.每次光源关断后，其灯管温度仍是很高，等灯管温度很低时才可再次开启光源开关（避免灯管容易烧坏）。
实验三 环境对光伏转换影响实验
一、实验目的：
1.了解外部环境对太阳能电池发电的影响。
2.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
名 称
备 注
1
太阳能教学平台

2
太阳能电池板

3
万用表
自备
三、实验原理：
光伏电池的性能指标受环境多种因素如光照强度、环境温度、粒子辐射的影响，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，按波长的分布求其变化曲线即为相对光谱响应。

图3.1
图3.1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，如本征载流子浓度、载流子的扩散长度、光子吸收系数等，所以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，其特性曲线见图3.2和图3.3。

在一定的条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其他被光照的太阳能电池组件所产生的能量，被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是“热斑效应”。这种效应能严重地破坏太阳能电组件。有光照组件所产生的部分能量或所有能量，都可能被遮蔽的电池组件消耗。
图3.4所示为太阳能电池组件的串联回路，假定其中一块被部分遮挡，调节负载电阻R，可使太阳能组件的工作状态由开路到短路。
图3.4
图3.5所示为串联回路受遮挡电池组件的“热斑效应”分析。受遮挡电池组件定义为2号，用I-U曲线2标识；其余电池组件合起来定义为1号，由I-U曲线1标识；两者的串联方阵为组（G），用I-U曲线G表示。

图3.5
可以从d、c、b、a四种工作状态进行分析：
(1)调整太阳能电池组的输出阻抗，使其工作在开路（d点），此时工作电流为0，开路电压等于电池组件1和电池组件2的开路电压之和。
(2)当调整阻抗使电池组件工作在c点，电池组件1和电池组件2 都有正的功率输出。
(3)当电池组件工作在b点，此时电池组件1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池组件2已经工作在短路状态，没有功率输出，但也还没有成为功率的接受体，还没有成为电池组件1的负载。
(4)当电池组工作在短路状态（a点），此时电池组件1仍然有正的功率输出，而电池组件2上的电压已经反向，电池组件2成为电池组件1的负载，不考虑回路中串联电阻的话，此时电池组件1的功率全部加到了电池组件2上，如果这种状态持续时间很长或电池组件1的功率很大，就会在被遮挡的电池组件2上造成热斑损伤。
(5)应当注意到，并不是仅在电池组处于短路状态才会发生“热斑效应”，从b点到a点的工作区间，电池组件2都处于接受功率的状态，这在实际工作中会经常发生，如旁路型控制器在蓄电池充满时将通过旁路开关将太阳能电池组件短路，此时就很容易形成热斑。

图3.6
多组并联的太阳能电池组件也有可能形成热斑，图3.6展示了太阳能电池组件的并联回路，假定其中一块被部分遮挡，调节负载电阻R，可使这组太阳能电池组件的工作状态由开路到短路。
图3.7为并联回路受遮挡电池组件的“热斑效应”分析。受遮挡电池组件定义为2号，用I-U曲线2表示；其余电池组件合起来定义为1号，由I-U曲线1表示；两者的串联方阵为组（G），用I-U曲线G表示。

图3.7
可以从a、b、c、d四种工作状态进行分析：
(1)调整太阳能电池组的输出阻抗，使其工作在短路（a点），此时电池组件的工作电压为0，组短路电流等于电池组件1和电池组件2的短路电流之和。
(2)当调整阻抗使电池组工作在b点，电池组件1和电池组件2都有正的功率输出。
(3)当电池组件工作在c点，此时电池组件1仍然工作在正功率输出，而受遮挡的电池组件2已经工作在开路状态，没有功率输出，但也没有成为功率的接受体，还没有成为电池组件1的负载。
(4)当电池组工作在开路状态（d点），此时电池组件1仍然有正的功率输出，而电池组件2上的电流已经反向，电池组件2成为电池组件1的负载，不考虑回路中其他旁路电流的话，此时电池组件1的功率全部加到了电池组件2上，如果这种状态持续时间很长或电池组件1 的功率很大，也会在被遮挡的电池组件2上造成热斑损伤。
(5)应当注意到，从c点到d点的工作区间，电池组件2都处于接受功率的状态。并联电池组处于开路或接近开路状态在实际工作中也有可能，对于脉宽调制控制器，要求只有一个输入端，当系统功率较大，太阳能电池组件会采用多组并联，在蓄电接近充满时，脉冲宽度变窄，开关晶体管处于临近截止状态，太阳能电池组件的工作点向开路方向移动，如果没有在各并联支路上加装阻断二极管，发生热斑效应的概率就会很大。
为防止太阳能电池组件由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。同样，对于每一个并联支路，需要串联一只二极管，以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收，串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜间反充电的功能。
四、实验步骤：
1 ．将太阳能电池板与控制器相连的开关打到“断”档位，确保光源的电源开关处在“断”的档位，“控制器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，“逆变器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，用两头是7芯的航空插头连接线将太阳能电池板与实验台相连（太阳能板的航空插座与实验台右侧的航空插座），
2．将太阳能电池板正对着光源，将光源的的开关打到“开”，调节“光源控制”的电位器即可改变光源的亮度，改变光源的亮度,同时记录电压值V
3．实验结束后，切断光源电源，关闭仪表电源，最后关断实验台总电源。拆除实验连接线。
编号
光源额定电压强度%
太阳能电池板输出电压/V
1

2

3

4

5

五、注意事项
1.光源点亮后，灯管温度很高，禁止触摸，以免烧伤。
2.每次光源关断后，其灯管温度仍是很高，等灯管温度很低时才可再次开启光源开关（避免灯管容易烧坏）。

实验四 太阳能电池直接负载实验
一、实验目的：
了解太阳能电池板的电压输出特性。
二、实验设备：
序号
名 称
备 注
1
太阳能教学平台

2
太阳能电池板

3
万用表
自备
三、实验原理：
太阳能电池板对于不同的负载呈现出不同的外特性。
蓄电池是独立型太阳能发电系统、防灾型系统和联系型系统不可缺少的储能部件。其主要功能是当日照量减少或夜间不发电时补充负荷要求的功率。此外，防灾型系统在交流停电时将独立发挥作用。一般系统中当太阳能发电功率急剧下降时，蓄电池起到缓冲作用，保证电压的稳定。
太阳能发电系统对蓄电池的选择是从电气性能、价格、尺寸、重量、使用寿命、维护方便、安全可靠、充放电性能等诸多方面加以综合评估。目前应用最为广范的还是铅蓄电池。铅蓄电池的品种和特征见表4.1。
防灾型系统和大厦建筑多用密封型铅蓄电池，因为它的寿命较长，其中金属外壳铅蓄电池其寿命可达10~14年。各种铅蓄电池的期望寿命特性曲线见图4.1。
表4.1 铅蓄电池的品种和特征
种类
形式
寿命（在25℃条件下浮充电）
容量范围（Ah）
补充液体
用途
应用系统举例
寿命（在25℃条件反复充电）(h)
密封型
密封型铅蓄电池
MSE型
7~9年
50~300
无须任何维护
联系型
大厦住宅等建筑物
防灾型交通指示灯
放电深度为50%时为1000
长寿命型
12~15年
15~300
同上（小型）
标准型
3~5年
0.7~144
独立型
同上（小型设备）
放电深度为50%时为500~700
长寿命型
5~6年
50~130
金属外壳型
太阳能发电专用

标准
——
50~300
需要
独立电源用
大型通讯设备
放电深度为50%时为1000
其他
汽车用铅蓄电池

——
4~5年
21~760
需要
联系型
独立型
公园灯路灯
放电深度为50%时为300

图4.1
蓄电池组容量计算
蓄电池的储能作用对保护连续供电是十分重要的。在一年内，光伏方阵发电量在各个月份有很大差别，方阵的发电量不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补给；在超过用电需要月份，靠蓄电池将多余的电能存储起来，所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电量也必须从蓄电池取得。所以在这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因数之一。
因此，蓄电池的容量计算公式为：
Bc=KQLNLTO/CC(Ah)
式中：K为安全系数，取1.1~1.4；QL为负载日平均耗电量，即等于工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。
太阳能电池阵列设计
太阳能组件串联数Ns
将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可以获得所需要的工作电压。另外，太阳能电池方阵对蓄电池充电时，太阳能电池组件的串联数必须适当。如果串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压,方阵就不能对蓄电池充电。当串联组件的输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。
计算方法如下：
Ns=UR/UDC=(Uf+UD+Uc)/ UDC
式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；UDC为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取0.7V；Uc为其他因数引起的压降。
蓄电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关，应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。
太阳能电池组件并联数量Np
在确定这个问题之前，先确定其相关的计算方法。
1.将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht,转换成在标准光强下的平均日辐射时数H(日照射量见表2)：
H=Ht×2.778/10000（h）
式中：2.778/10000为将日辐射量换算为标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时数的系数。
2.太阳能电池组件日发电量Qp:
Qp=IOCHKOPCZ(Ah)
式中：IOC为太阳能电池组件最佳工作电流；KOP为斜面修正系数(日照射量见表)；CZ为修正系数,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8。
两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw(一般取Nw=30天)。
主要考虑要在此时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需要补充的蓄电池电池容量为：
Bcb=KQLNL(Ah)
QL=P/VL×N
太阳能电池组件并联数Np计算方法：
Np=(Bcb+NwQL)/(QPNW)
表达式意为：并联所用太阳能电池组件数是在连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载耗电使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。
太阳能电池方阵的功率计算：
根据太阳能电池组件的串联数，即可以得出所需要太阳能电池方阵的功率
P=PoNSNP(W)
式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。
表2 我国主要城市的辐射参数表
城市
纬度Φ
日辐射量Ht
最佳倾角Φop
斜面日辐射量
修正系数Kop
哈尔滨
45.68
12703
Φ＋3
15838
1.140
长春
43.90
13572
Φ＋1
17127
1.1548
沈阳
41.77
13793
Φ＋1
16563
1.0671
北京
39.8
15261
Φ＋4
18035
1.0976
天津
39.10
14356
Φ＋5
16722
1.0692
呼和浩特
40.78
16574
Φ＋3
20075
1.1468
太原
37.78
15061
Φ＋5
17394
1.1005
乌鲁木齐
43.78
14464
Φ＋12
16594
1.0092
西宁
36.78
16777
Φ＋1
19617
1.136
兰州
36.05
14966
Φ＋8
15842
0.9489
银川
38.48
16553
Φ＋2
19615
1.1559
西安
34.30
12781
Φ＋14
12952
0.9275
上海
31.17
12760
Φ＋3
13691
0.990
南京
32.00
13099
Φ＋5
14207
1.0249
合肥
31.85
12525
Φ＋9
13299
0.9988
杭州
30.232
11668
Φ＋3
12372
0.9362
南昌
28.67
13094
Φ＋2
13714
0.8640
福州
26.08
12001
Φ＋4
12451
0.88978
济南
36.68
14043
Φ＋6
15994
1.0630
郑州
34.72
13332
Φ＋7
14558
1.0476
武汉
30.63
13201
Φ＋7
13707
0.9036
长沙
28.20
11377
Φ＋6
11589
0.8028
广州
23.13
12110
Φ-7
12702
0.8850
海口
20.03
13835
Φ＋12
13510
0.8761
南宁
22.82
12515
Φ＋5
12734
0.8231
成都
30.67
10392
Φ＋2
10304
0.7553
贵阳
26.58
10327
Φ＋8
10235
0.8135
昆明
25.02
14194
Φ-8
15333
0.9216
拉萨
29.70
21301
Φ-8
24151
1.0964
实际应用中，光伏电池常常是与蓄电池混合供电的。这个混和供电系统可等效为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图4.2～4.4所示：

图4.2 光伏电池有负载、有偏压时的等效电路

图4.3 光伏电池有负载、
有偏压的伏安特性　 图4.4 光伏电池有负载、有偏压的蓄电池充满电伏安特性
四、实验步骤：
1 ．将太阳能电池板与控制器相连的开关打到“断”档位，确保光源的电源开关处在“断”的档位，“控制器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，“逆变器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，用两头是7芯的航空插头连接线将太阳能电池板与实验台相连（太阳能板的航空插座与实验台右侧的航空插座），
2．打开仪表的电源开关，按照图4.5连接太阳能电池板发电功率测试电路。
3． 将太阳能电池板正对着光源，将光源的的开关打到“开”，调节“光源控制”的电位器即可改变光源的亮度，改变光源的亮度, 从小到大调节负载电阻R ，同时记录电压值V、电流值I 、计算发电功率P=VI。

图4.5连接太阳能电池板发电功率测试电路
4．按下表改变可调负载的值，观察并记录每一种负载下的电压和电流值，计算太阳能电池板输出功率，分析负载对太阳能电池板的影响。
编号
负载/Ω
电压/V
电流/mA
功率/mW
1
开路（∞）

2
500

3
400

4
300

5
200

6
100

7
50

5.依据太阳能电池板的充电电压，计算充满设备蓄电池电量的时间。
6.依据太阳能电池板的功率，按照逆变效率70%和设备负载如果连续工作一昼夜的话。计算需要多大的蓄电池容量？
7．实验结束后，切断光源电源（先调节“光源调光器”逆时针到底，再关闭光源开关）关闭仪表电源，最后关断实验台总电源。拆除实验连接线。
五、注意事项
1.光源点亮后，灯管温度很高，禁止触摸，以免烧伤。
2.每次光源关断后，其灯管温度仍是很高，等灯管温度很低时才可再次开启光源开关（避免灯管容易烧坏）。

实验五 光伏控制型太阳能系统发电实验
一、实验目的：
了解太阳能发电系统的构成。
二、实验设备：
序号
名 称
备 注
1
太阳能教学平台

2
太阳能电池板

3
万用表
自备
三、实验原理：
光伏发电指的是利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏电池板、控制器、电能储存与变换环节构成的发电与电能系统，其构成框图如图5.1所示：

图5.1
其中太阳能控制器的作用是：对光伏电池板转化的电能进行调整和控制，一方面把光伏电池板产生的电能优先供给直流负载或交流负载，另一方面把多余的电能存储到蓄电池组中，当光伏电池板发电不足以供应负载时，蓄电池补充供应负载使用；在充电过程中，控制器要对蓄电池进行如限制充电电流、限制充电电压、充满断开保护等控制和保护功能；在放电过程中，控制器又对蓄电池进行过放、过流、短路等保护。所以在光伏发电系统中，控制器的作用非常重要，它还决定着蓄电池的使用性能和使用寿命。
光伏发电系统中充放电控制器的功能主要如下：
(1)高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复
连接的功能。对于接通/断开式控制器，高压断开和恢复连接的电压设定值按照蓄电池的浮充电压来决定。
(2)欠电压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠电压告警点
时，控制器应能够自动发出声光告警信号。
(3)低电压（LVD）断开和恢复功能：这种功能是可以用于防止蓄电池
的过度放电。通过继电器或者电子开关连接负载，可在某给定低电压点能够自动切断负载。当电压升高到安全运行范围时，负载将自动重新接入或者要求手动重新接入。
(4)保护功能：防止任何负载短路的电路保护；防止控制器内部短路
的电路保护；防止夜间蓄电池通过太阳能电池组件反向放电保护；防止负载、太阳能电池组件或蓄电池的极性反接的电路保护；防止感应雷的线路防雷。
(5)温度补偿功能（仅适用于蓄电池充满电压）；当蓄电池温度低于
25℃时，蓄电池的充满电压应适应当提高；相反，高于该温度蓄电池的充满电压的门限应适当降低。通常蓄电池的温度补偿系数为－（3～5）mV（℃.cell）本实验科研平台配备的太阳能控制器具体实现图如图5.2所示：

图5.2

根据实际需求，将若干的光伏电池组件并联、串联后，排列组成光伏阵列，以满足实际的电压功率需求。一般是将光伏电池串联成几组电池串后，再将这几组电池串并联，如图5.3所示：

图5.3
光伏电池组将太阳能辐射能量转化为电能，输入到控制器，控制器根据蓄电池电量情况和负载情况，对蓄电池进行充电并供给负载用电。在充电回路中，充电电流流过充电电流传感器流入蓄电池；在放电回路中，放电电流流过放电电流传感器输出供给负载使用。根据太阳能电池电压、蓄电池电压、充电电流、放电电流的值可以计算得到太阳能发电量和控制器放电量。
在充、放电及传输中不可避免地存在着能量的损耗，损耗掉的能量多以热能的形式散失。
四、实验步骤：
1 ．将太阳能电池板与控制器相连的开关打到“断”档位，确保光源的电源开关处在“断”的档位，“控制器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，“逆变器”与“蓄电池”相连的开关打到“断”档位，用两头是7芯的航空插头连接线将太阳能电池板与实验台相连（太阳能板的航空插座与实验台右侧的航空插座），
2.打开仪表的电源开关,将太阳能电池板正对着光源，将光源的的开关打到“开”，调节“