光电系统及应用实验指导书.doc

光电系统及应用实验指导书（电科专业）电子信息学院实验一 光伏系统控制电路的设计与制作实验太阳能光电系统主要由太阳电池板、蓄电池、控制器（也称调整器）、逆变器等组成，目的是为负载提供用电电能。由于太阳电池板所接收的光能是不恒定的、不连续的（只有白天有阳光时才有电能输出），因此在独立太阳能光电系统中，必须采用蓄电池来储存能量，使之输出较稳定、较连续的电能。即使是使用较廉价的铅酸蓄电池，其投资在光电系统中也占有较大的比重。而在独立太阳能光电系统中，蓄电池的工作方式主要是以充放电的方式进行，以一天或几天为循环周期。过度的充电和过度的放电都将大大缩短蓄电池的寿命。在光电系统中，使用寿命最短、维修费用最高、故障率最多的部件就是蓄电池。光伏充放电控制器是光伏发电系统中配合蓄电池特性，对蓄电池实施充电与放电控制的设备。为了最大限度延长蓄电池使用寿命，充放电控制器应对蓄电池进行有效的充电、防止过度充电或过度放电。光伏发电系统的蓄电池充放电控制，比其他应用场合充放电的控制要困难，因为光伏发电系统所供给的电力带有很大的不确定因素，同时运行也很不稳定。蓄电池自身的充电和放电特性不是一成不变的，它与蓄电池的使用过程及蓄电池的新旧程度有关，光伏发电系统由于受环境影响，蓄电池的使用不会像其他应用那样有稳定的充/放电环境，光伏发电系统中广泛使用的是无记忆特性的铅酸蓄电池，但铅酸蓄电池充/放电如果不当，则很容易造成损坏，要有较好的充放电控制器予以配合。另外，铅酸蓄电池对工作环境要求也较高，当工作环境从2O上升到30时，其使用寿命将缩短25%，当工作温度环境降至一10时，已放电的蓄电池中的电解液会结冰并损毁。因此，设计一个性能优良的光伏系统控制电路非常重要。一、实验目的1 掌握光伏系统控制电路的工作原理。2 设计制作光伏系统蓄电池充放电控制电路。二、实验原理系统控制器应具有以下主要功能：1. 将来自太阳电池板的 电能直接或通过逆变器向家用电器供电，同时将多余的电能储到蓄电池中，以备太阳能电力不足时（如夜间）对家用电器供电。2. 为防止蓄电池过充电，保护蓄电池的循环充放电性能，当蓄电池出现过充电时，能及时切断充电回路；并能按照预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。3. 提供蓄电池对各种家用电器的供电通路。为确保蓄电池的正常使用寿命，当蓄电池出现过放电时能及时切断放电回路；当蓄电池再次充电后，又能自动恢复供电。4. 当用电器发生故障或短路时，能自动保护控制器以及系统安全。5. 具有防反充功能。当入射光能弱时有可能出现蓄电池电压超过太阳电池板的输入电压，这时控制器应能防止蓄电池电能反向输入到太阳电池板，以避免损坏太阳电池板。控制器除了作为太阳电池板、蓄电池和负载之间的桥梁外，最重要的就是要最大限度地发挥系统的作用，尽可能延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。因此，在控制器中必须要设计蓄电池过充电保护电路、过放电保护电路、负载过流保护电路和防反充保护电路等。随着技术的不断发展，对控制器的功能要求也越来越高。如蓄电池充电时，内部的电化学反应与环境温度有着密切关系。环境温度越高，电化学反应越激烈, 则蓄电池过充电保护阈值就要随之降低，即要求蓄电池过充电保护阈值随着环境温度的变化而变化。因此，要求对过充电保护阈值进行温度补偿。为了防止蓄电池极板的铅化现象，近来发展了自动均衡充电技术。每隔一定的时间间隔（如一个月），控制器将自动对蓄电池进行均衡充电，以延长蓄电池的使用寿命。为了避免因太阳电池板或蓄电池正负极性接反而损坏控制器，控制器还设计有防极性接反保护电路。此外，为了使用户能对控制器的工作状态一目了然，还需设计一些指示电路，如蓄电池电压指示、充电指示、过充电指示、过放电指示以及过流指示等。图1表示太阳能光电系统控制器框图。太阳电池板过充电保护蓄电池过流保护电路家用电器图1 太阳能光电系统控制器框图防反充保护显示电路温度补偿电路过放电保护显示电路在控制器中，蓄电池充、放电保护电路是设计的关键。1.蓄电池充电保护电路蓄电池充电保护电路的主要功能就是保护蓄电池避免过充电。其保护方式根据开关元件在电路中的连接方式不同可分为串联型保护电路和并联型保电路。1.1 串联型充电保护电路串联型充电保护电路的框图如图2所示。控制电路一般由集成电路构成。开关元件通常采用开关三极管或继电器。当取样电路检测到蓄电池电压达到预先设定的过充保护值时，控制电路输出信号，开关元件动作，切断充电回路。当蓄电池电压回复到预定的恢复充电值时，控制电路输出信号，开关元件再次动作接通充电回路，太阳电池板再次对蓄电池充电。温度补偿电路根据环境温度的不同自动调整过充电保护阈值。防反充二极管开关元件取样电路蓄电池显示电路电路温度补偿电路图2 串联型充电保护电路框图太阳电池板控制电路防反接保护电路.1.2 并联型充电保护电路 并联型充电保护电路框图如图3所示。防反充二极管控制电路取样电路蓄电池温度补偿电路图3 并联型充电保护电路框图显示电路开关元件太阳电池板防反接保护电路 并联型充电保护电路中的开关元件是并联在太阳电池两端，因此可解决串联型充电保护电路中充电时开关元件要损耗部分功率的问题。当蓄电池处于充电状态时，开关元件断开，不消耗功率。当蓄电池电压达到预定的过充保护电压值时，控制电路输出信号，开关元件接通，太阳电池板的能量通过开关元件释放，从而停止对蓄电池的充电。当蓄电池电压回复到预定的恢复充电值时，控制电路输出信号，开关元件断开，太阳电池恢复对蓄电池的充电。1.3脉宽调制型充电保护电路以上所介绍的充电保护电路中开关元件是处于开、关工作状态。为了能既有效防止过充电，又可充分利用太阳能对蓄电池充电，近年来发展了脉宽调制充电保护电路，以并联型保护电路方式为主。并联型脉宽调制充电保护电路框图仍可参考图6。在脉宽调制型充电保护电路中，控制电路输出的是脉冲宽度随着蓄电池电压而变化的脉冲信号。随着蓄电池电压的升高，控制电路将会输出脉冲波，太阳电池板的部分能量将会通过开关元件释放，从而减少了对蓄电池充电的能量。随着蓄电池电压的进一步升高，通过开关元件所释放的能量越来越多，对蓄电池充电的能量越来越少，直至涓流充电。一旦蓄电池电压下降，脉冲宽度随之变窄，又有较多能量可输入到蓄电池中。 采用这种电路的优点是既能保护蓄电池，又能充分利用能量，但是电路较为复杂。2.2.1 蓄电池放电保护电路 蓄电池放电保护电路框图如图4所示。当取样电路检测到蓄电池电压降至预定的过放电保护电压值时，控制电路输出信号，开关元件动作，切断蓄电池与用电器的通路，停止对用电器提供电能。当蓄电池再次充电后，其电压上升到预定的恢复供电值时，控制电路输出信号，接通开关元件，恢复供电。开关元件可采用开关三极管或继电器。采用继电器的优点是输出电压损耗较小，但继电器吸合时，继电器线圈要消耗一定的能量。采用开关三极管，由于管压降使输出电压有所损失，同时，如果用电器的功率较大，则三极管上的功耗也随之增大。蓄电池显示电路电路取样电路图4 蓄电池放电保护电路框图控制电路防反接保护电路过流保护开关元件用电器DCAC逆变器三、实验仪器1. 直流电源；2. 示波器；3. 制作光伏系统蓄电池充放电控制电路所需元器件。 四、实验内容及步骤1、设计光伏系统控制电路：根据光伏系统控制电路原理图设计一个具有蓄电池充放电保护功能的控制电路。 主控电路可用运算放大器、555集成电路或单片机等，关键是要控制电压要有回差，形成施密特触发器。如图5所示。图5 555构成的施密特触发器参考电路如图6所示。FUSEVNE555太阳电池板用电器 R1R2 R3 R4 R5 R7 R8R6NE555 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R22 R23 R24 R26R21R25 C1 C2 C3 C4 C5 C6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13T1T2T3T4T5 1 2 6 4 8 3 5 1 2 6 3 5 4 8图6 蓄电池充放电控制电路图2、控制器性能指标参数：控制器的主要性能指标如下：最大充电电流：自由设定。输出：12V直流电压（采用12V蓄电池），输出电流自由设定。过充保护电压值：14.3V(密封铅酸蓄电池)充电恢复电压：13.6V过放保护电压：11.0V恢复供电电压：12.6V3、制作控制电路线路板：按所设计的电路图，制作PCB板。焊接合适参数的元器件并按所给的指标进行调试。4、撰写实验报告、提交实物撰写实验报告，画出你所设计的电路图，简述工作原理。列表给出你最后调试得到的结果。最后分析你所得到的结果是否满足设计和实际的需要。 实验二 光伏系统设计一、实验目的1. 掌握光伏系统设计的基本原理。2. 按给定地区的气象条件和用户负载要求，设计所需的太阳电池组件和蓄电池的容量，构建光伏系统。二、实验原理太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。1. 独立光伏系统软件设计光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。太阳电池组件数量和蓄电池容量是光伏系统软件设计的关键部分。(1)设计的基本原理太阳电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求。设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。太阳电池组件设计中较好的办法是使太阳电池组件能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保证在光照最差的情况下蓄电池也能够被完全地充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。但所设计的太阳电池组件在一年中的其他时候就会远远超过实际所需，成本高昂。设计独立光伏系统的关键就是选择成本效益最好的方案。(2)蓄电池设计方法蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。在进行蓄电池设计时，我们需要引人一个不可缺少的参数:自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般来讲，自给天数的确定与两个因素有关:负载对电源的要求程度;光伏系统安装地点的气象条件，即最大连续阴雨天数。通常可以将光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先，给出计算蓄电池容量的基本方法。基本公式第一步，将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量。第二步，将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度。因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以最大放电深度，得到所需要的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细约有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度 (DOD);如果使用的是浅循环蓄电池，推荐选用使用50%DOD。设计蓄电池容量的基本公式如下： 确定蓄电池串并联的方法。每个蓄电池都有它的标称电压。为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。 设计修正 以上给出的只是蓄电池容量的基本估算方法，在实际情况中还有很多性能参数会对蓄电池容量和使用寿命产生很大的影响。为了得到正确的蓄电池容量设计，上面的基本方程必须加以修正。对于蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的，蓄电池的容量与两个重要因素相关:蓄电池的放电率和环境温度。蓄电池组并联设计 当计算出了所需的蓄电池的容量后，下一步就是要决定选择多少个单体蓄电池加以并联得到所需的蓄电池容量。可以有多种选择，例如，如果计算出来的蓄电池容量为5OOAh，那么我们可以选择一个5OOAh的单体蓄电池，也可以选择两个250Ah的蓄电池并联，还可以选择5个1OOAh的蓄电池并联。从理论上讲，这些选择都可以满足要求，但是在实际应用当中，要尽量减少并联数目。也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响，因为一些并联的蓄电池在充放电的时候可能会与之并联的蓄电池不平衡。并联的组数越多，发生蓄电池不平衡的可能性就越大。一般来讲，建议并联的数目不要超过4组。(3)光伏组件方阵设计 基本公式 太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量 (安时数)除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量 (安时数)，这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本计算公式如下：光伏组件方阵设计的修正 太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。a将太阳电池组件输出降低10% 减少太阳电池组件的输出10%来解决不可预知和不可量化的因素。可以看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。b将负载增加10%以应付蓄电池的库仑效率 在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不同，通常可以认为有5%一10%的损失，所以保守设计中有必要将太阳电池组件的功率增加10%，以抵消蓄电池的耗散损失。完整的太阳电池组件设计计算 考虑到上述因素，必须修正简单的太阳电池组件设计公式，给出了一个在实际情况下太阳电池组件输出的保守估计值，得到下面的计算公式：利用上述公式进行太阳电池组件的设计计算时，还要注意以下一些问题。 a考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算b根据太阳电池组件电池片的串联数量选择合适的太阳电池组件太阳电池组件生产商根据太阳电池组件工作的不同气候条件，设计了不同的组件：36片串联组件与33片串联组件。36片太阳电池组件主要适用于高温环境应用，36片太阳电池的串联设计使得太阳电池组件即使在高温环境下也可以在Imp附近工作。通常，使用的蓄电池系统电压为l2V，36片串联就意味着在标准条件 (25)下太阳电池组件的Vmp为l7V，大大高于充电所需的l2V电压。当这些太阳电池组件在高温下工作时，由于高温太阳电池组件的损失电压约为2V，这样Vmp为I5V，即使在最热的气候条件下也足够可以给各种类型的蓄电池充电。33片串联的太阳电池组件适宜于在温和气候环境下使用，33片串联就意味着在标准条件 (25)下太阳电池组件的Vmp为l6V，稍高于充电所需的l2V电压。当这些太阳电池组件在40一45下工作时，由于高温导致太阳电池组件损失电压约为lV，这样Vmp为l5V，也足够可以给各种类型的蓄电池充电。但如果在非常热的气候条件下工作，太阳电池组件电压就会降低更多。如果到5O或者更高，电压会降低到l4V或者以下，就会发生电流输出降低。c使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的输出 因为太阳电池组件的输出是在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找出一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件输出的方法，我们可以使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的日输出。该方法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/m2照射的小时数。将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。太阳电池组件的输出=峰值小时数峰值功率如：一个月的平均辐射为5.0kWh/m2。可以将其写成5.0hl000W/m2。而l000W/m2正好也就是用来标定太阳电池组件功率的标准辐射量，那么平均辐射为5.0kWh/m2就基本等同于太阳电池组件在标准辐射下照射5.0h。这不是实际情况，但是可以用来简化计算。因为1000W/m2是生产商用来标定太阳电池组件功率的辐射量，所以在该辐射情况下的组件输出数值可以很容易从生产商处得到。为了计算太阳电池组件每天产生的安时数，可以使用峰值小时太阳电池组件的Imp。例如，假设在某个地区倾角为30的斜面上按月平均每天的辐射量为5.0kWh/m2，可以将其写成5.0hl000W/m2。对于一个典型的75W太阳电池组件，Imp为4.4Amps，就可得出每天发电的安时数为5.04.4Amps=22.0Ah/天。(4)蓄电池和光伏组件方阵设计的校核 校核蓄电池平均每天的放电深度，保证蓄电池不会过放电计算公式如下，但是如果自给天数很大，那么实际的每天DOD可能相当小，不需要进行校核计算。如果一个光伏系统使用了4000Ah的深循环蓄电池，每天的负载为500Ah，那么平均每天的DOD校核计算如下：5O00Ah/4000Ah=0.1250.8。所以该系统中蓄电池不会过放电。校核光伏组件方阵对蓄电池组的最大充电率另外一个校核计算就是校核设计光伏组件方阵给蓄电池的充电率。在太阳辐射处于峰值时，光伏组件方阵对于蓄电池的充电率不能太大，否则会损害蓄电池。蓄电池生产商将提供指定型号蓄电池的最大充电率，计算值必须小于该最大充电率。如：光伏供电系统使用了75W太阳电池组件50块 (25并联2串联)，工作电压24V，配备4000Ah的蓄电池。最大充电率为 最大充电率=4000Ah / 254.4(75W组件峰值电流)=24h将计算值和蓄电池生产商提供的该设计选用型号蓄电池的最大充电率进行比较，如果计算值较小，则设计安全，光伏组件方阵对蓄电池的充电不会损坏蓄电池;如果计算值较大，则设计不合格，需要重新进行设计。2. 计算斜面上的太阳辐射井选择最佳倾角在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：太阳电池组件倾角；太阳电池组件方位角。太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平地面的夹角。光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角 (向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度)。一般在北半球，太阳电池组件朝向正南 (即方阵垂直面与正南的夹角为0)时，太阳电池组件的发电量是最大的。目前有的观点认为方阵倾角等于当地纬度为最佳。这样做的结果，夏天太阳电池组件发电量往往过盈而造成浪费，冬天时发电量又往往不足而使蓄电池处于欠充电状态。也有的观点认为所取方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐方阵倾角在当地纬度的基础上再增加15一20。国外有的设计手册也提出，设计月份应以辐射量最小的12月 (在北半球)或6月 (在南半球)作为依据。这样往往会便夏季获得的辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。同时，最佳倾角的概念，在不同的应用中是不一样的，在独立光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性，而对于并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。(1)将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用Klein提出的计算方法。基本的计算步骤如下：确定所需的倾角，和系统所在地的纬