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  • 环境对光伏转换影响实验

  • 一、环境对光伏转换影响实验的实验目的:
    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、
    环境对光伏转换影响实验的实验设备:
        

    序号 名     称 备     注
    1 ZLNE-Y14太阳能光伏发电系统实验实训装置  
    2 万用表 自备
    3 几块材料不同、透光度不同的遮挡板 自备
     
    三、环境对光伏转换影响实验的实验原理:
    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:当各种波长以一定先是的辐射光了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0.4~1.2左右,最大灵敏度在0.8~0.9
    之间。
     
    图1
    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裤的很多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2和图3。
     
    图2常温下不同日照的伏安特性     图3 参考日照不同温度下的伏安特性
     
    在一定条件下,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, 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。
    在太阳能电池组件的串联回路中,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。
    可以从d、c、b、a四种工作状态进行分析:
    (1)调整太阳能电池组件的输出阻抗,使其工作在开路(d点),此时工作电流为0,开路电压UGd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)当电池组件工作点在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)当电池组件工作在短路状态(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,并不是仅在电池组件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号表示;两者的串联方阵为组(G),用I-U曲线G表示。
     
    图7
    可以从a、b、c、d四种工作状态进行分析:
    (1)调整太阳能电流组的输出阻抗,使其工作在短路(a点),此时电池组件的电压为0,组短路电流Isc等于电池组件的输出阻抗,使其电池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仍然有正的功率输出,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。并联电池组件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、
    环境对光伏转换影响实验的实验步骤:
         1.在面板上的太阳能光伏实验区按实验需求把电压表、电流表按图示连接。
           连接过程中,注意“正”“负”极。
         2.接通“总开关”,此时“总开关”指示灯亮,将设备正在测试相对应的仪表开关拔至“开”的位置,直流电压表和直流电流表均通电工作,然后直流电压表的示值就是太阳能电池板的开路电压,记录些电压。
         3.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太阳能电池板,记录每一种情况下太阳能电池板输出的电压:

    序号 材   料 太阳能电池板输出电压/V
    1    
    2    
    3    
    4    
    5    
     
    4.用同一遮挡板遮挡太阳能电池板,按照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:
    序号 遮挡面积/% 太阳能电池板输出电压/V
    1    
    2    
    3    
    4    
    5    
     
    5.用同一遮挡板遮挡一部分太阳能电池板,同时在“控制器”部分的“TP1”接入可调电阻(环形510/25W),增加或减小负载的阻值,并记录太阳能电池板输出的电压值与电流:查看在阻值为多少时太阳能电池板发生了“热斑效应”。
    6.试验完毕,应该关闭“总开关”,卸下电缆线插头,合上机箱。
       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。
    2.使用同一块遮挡板改变其遮挡面积的试验中,要尽快~5组数据,不可长时间使某一部分处于遮挡状态。


    ZLNE-Y14型太阳能光伏发电实验实训装置

     太阳能光伏发电实验实训装置是基于太阳能发电,电能的整流、储存和逆变于一体的实训装置。系统分别由模拟太阳装置、光伏电池、控制器模块、离网逆变模块、同步并网模块、仪表监测模块、交直流负载模块,7个部分组成。
        装置采用串联式PWM充电控制方式,使充电回路的电压损失较原二极管充电方式降低一半,充电效率较非PWM高3-6%;过放恢复的提升充电,正常的直充,浮充自动控制方式有利于提高蓄电池寿命。多种保护功能,包括蓄电池反接、蓄电池过、欠压保护、太阳能电池组件短路保护,具有自动恢的输出过流保护功能,输出短路保护功能。
     
    一、太阳能光伏发电实验实训装置的主要技术指标及规格:
    1.太阳能电池参数
      ◆ 峰值功率:30W
      ◆ 最大功率电压:17.5V
      ◆ 最大功率电流:1.95A
      ◆ 开路电压:22V
      ◆ 短路电流:2.2A
      ◆ 安装尺寸:350*490*18mm
    2.太阳能控制器具体功能
      ◆ 使用单片机和专用软件,实现智能控制,12/24电压自动识别系统。
      ◆ 采用串联式PWM充电控制方式,使充电回路的电压损失较原二极管充电方式降低一半,充电效率较非PWM高3-6%;过放恢复的提升充电,正常的直充,浮充自动控制方式有利于提高蓄电池寿命。
      ◆ 多种保护功能,包括蓄电池反接、蓄电池过、欠压保护、太阳能电池组件短路保护,具有自动恢的输出过流保护功能,输出短路保护功能。
      ◆ 具有丰富的工作模式,如光控,光控+延时,通用控制等模式。
      ◆ 浮充电温度补偿功能。
      ◆ 使用了大屏幕LCD液晶显示器、充电、放电,光伏、蓄电池,负载各参数一目了然,一键式操作即可完成所有设置,方便直观。
      ◆ 独立的上位机软件,保证与电脑之间良好通讯,画面人性化,清晰、直观、操作方便。
    3.蓄电池(一般为铅酸电池)
    ◆ 自放电率低
    ◆ 使用寿命长
    ◆ 深放电能力强
    ◆ 充电效率高 工作温度范围宽
    ◆ 增加系统停机时蓄电池电量自动测量功能
    4.离网逆变器功能参数
    ◆ 纯正弦波输出(失真率<4%)
    ◆ 输入输出完全隔离设计
    ◆ 能快速并行启动电容、电感负载
    ◆ 三色指示灯显示,输入电压,输出电压,负载水准和故障情形
    ◆ 负载控制风扇冷却
    ◆ 过压/欠压/短路/过载/超温保护
    ◆ 输入电压:10-16VDC
    ◆ 输出电压:110V/220VAC
    ◆ 输出功率:300W
    5.负载
    ◆ 直流负载包括:LED灯或其它直流负载;
    ◆ 交流负载包括:白炽灯和交流电机等。
    6.并网逆变器
       并网逆变器具有DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构。DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点;DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位,同时获得单位功率因数。
       系统面板设有用来测量DC、AC相关参数的多个测试端口,可测量DC-DC电压电流变化和DC-AC逆变过程中的电压电流及曲线变化和波形对比。
    6级功率搜索功能
    在自动调整的过程中,会看到LOW灯不停的闪烁,功率会由0作为起点,向最大功率点加大输出功率,重启最多为6次,然后进入功率锁定状态,锁定时ST灯长亮。
    在进行6级功率搜索程序时,所需的时间为10分钟。
    宽电压输入(15-62VDC
    二级功率变压转换
    ◆ 高频双向并网,单向并网功能
    ◆ 高频直接调制,AC半波合成
    ◆ 双向并网方式:直接负载消耗,逆向传输AC电流
    ◆ 单向并网方式:直接负载消耗,禁止逆向传输AC电流
    多频率输出功能,可适用于50Hz/60Hz频率的AC交流电
    ◆ 频率范围:45Hz~63Hz
      ◆ 直接连接到太阳能电池板(不需要连接电池)