太阳能风光互补发电系统研究.doc

太阳能风光互补发电系统实验 太阳能风光互补发电系统研究引言太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源。太阳能发电的原理基于光电效应。风光互补发电系统是利用太阳能和风能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。TRM-JX2太阳能风光互补发电系统实验台能完成太阳能、风能互补独立运行系统实验，实现太阳能、风能并网运行系统的控制过程和运行过程的演示。图1 太阳能风光互补发电系统实验台实验目的1研究太阳能电池的基本结构和工作特性(伏安特性、光照特性和方向特性)。2掌握太阳能充电控制器原理和作用。3了解离网型和并网型逆变器的工作原理和主要功能。4学会使用风光互补发电系统。实验原理1. 光生伏特效应太阳能电池发电原理是基于光电效应中的光生伏特效应，将光能转化为电能。太阳能电池由N型和P型半导体材料接触形成PN结。如图2所示，当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势。如果构成回路就会产生电流，即光生电流。这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。 图2 PN结结构示意图2. 太阳能电池光照情况下的电流电压关系如图3所示，在闭路情况下，光照下会有电流流过PN结，显然PN结相当于一个电源。图3 太阳能电池等效电路图光电流在负载上产生电压降，这个电压降可以使PN结正偏。如图3所示，正偏电源产生正偏电流。在反偏情况下，PN结电流为光电流总是反向电流，由此太阳能电池的电流总是反向的。根据图3的等效电路图。有两种极端情况是在太阳能电池特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻，这种情况下加载在负载电阻上的电压为零，PN结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流，即 。其二是负载电阻，外电路处于开路状态。开路电压：。开路电压和短路电流是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到。随着光照强度增大，太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，短路电流正比于入射光强度，开路电压随着入射光强度对数式增大。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压不会随着入射光强度增大而无限增大的，实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。3. 太阳能电池的效率太阳能电池的转换效率定义为输出电能和入射光能的比值：其中在I-V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图4光特性I-V曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压。短路电流和开路电压也构成一个矩形，面积为，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反应了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7-0.8之间。 图4 太阳能电池最大功率矩形太阳能电池的效率是一个重要参数。硅太阳能电池的最大效率是28左右。还有其它很多因素影响，如 表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑，太阳能电池的能量转换效率10-15之间。实验仪器及描述 1. 实验仪器太阳能风光互补发电系统实验台，如图1所示，它包括太阳能电池组、离网逆变器、并网逆变器、太阳能控制器、蓄电池、直流负载（指示灯与风机）、交流负载（电机和灯泡）、数字式直流电压电流表、数字式交流电压电流表、双路稳压电源、风力发电机模型、人造光源和人工风源。2. 仪器描述1. 太阳能电池组：太阳能发电系统中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。开路电压：22V2. 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。3. 离网逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。将太阳能的直流电压转为交流电压，又叫DC-AC逆变器。4. 并网逆变器：在光伏并网系统中，DCAC逆变器主要使输出电流与电网电压同相位，将逆变后的交流220V直接接入电网中，电功率表计量进入电网的电功率值。 5人工光源：模拟太阳发出300W的直射光，光谱范围：(300-3000 nm)。 6. 模拟风力发电机：模拟弱风下风力发电机的运行。发电电压：直流 0-15V，功率：0-20W。 7. 风机: 在室内模拟自然风发出020米/秒(06级)强风，风速连续可调(020m/s)。实验内容和步骤1. 太阳能光伏板能量转换实验 1) 打开总电源开关，按图6接线，打开卤灯，指示灯全亮。2) 调节光照强弱变化，观察电压、电流表的变化。图6 太阳能光伏板能量转换实验接线图2. 不同光照角度下太阳能板直接负载的伏安特性1) 打开总电源开关，按图6接线，打开卤灯直最亮，电风扇开始工作。2) 调节光照角度，依次为90o、80o、70o、60o、50o、40o。记录每次的电压和电流值。研究太阳光入射角度与电压电流的关系，并计算输出功率，找出最大输出功率。图7太阳能板直接负载的伏安特性接线图3离网下独立光伏发电1) 打开总电源开关，按电路图连线。2) 打开卤灯开关旋转至卤灯最亮。3) 打开离网逆变器开关，此时负载指示灯点亮，负载灯泡和负载风扇开始工作。4) 理解太阳能电池板的12V直流电转换成220交流电为交流负载供电的过程，观察交流电流、电压表指示值。图8 独立光伏发电实验接线图4 光伏并网发电1) 打开总电源开关，按电路图连线。2) 打开卤灯开关旋转至卤灯最亮。3) 打开并网逆变器开关，此时负载指示灯点亮，负载灯泡和负载风扇开始工作。4) 观察电功率表、交流电流表、交流电压表指示值。通过功率表可以观察对公共电网输出的电功率。图9 光伏并网实验接线图5 风光互补发电实验 1) 按电路图连线。2) 用遮挡布将太阳能板遮住，关掉模拟阳光，打开风机看是否有电流指示。3) 关闭风机, 去掉太阳能板上的遮挡布模拟阳光照射，看是否有电流指示。4) 关掉模拟阳光，同时关闭风机，看是否有电流指示。图10 风光互补发电实验接线图数据表格表1 不同光照角度下太阳能电池板直接负载电风扇的伏安特性光照角度电压U (V)电流I (mA)功率P=UI90.0o80.0o70