光伏組件輸出特性的實(shí)訓(xùn)設(shè)備研制

張 彥 王仕韜 馬夢(mèng)朝 趙義術(shù)

國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250002

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽(yáng)能利用中最具意義的技術(shù)， 成為世界各國(guó)競(jìng)相研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，近10年以平均每年30%的速度增長(zhǎng)。 近年來，中國(guó)已成為太陽(yáng)能光伏的重要生產(chǎn)基地，光伏電站的建設(shè)也正如火如荼的開展， 湖南湘潭正在建設(shè)的20MW屋頂光伏電站，完成后將成為世界最大的屋頂光伏電站。 隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)于光伏發(fā)電技術(shù)人才需求也與日俱增，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，滿足智能電網(wǎng)的規(guī)劃提出的高度重視新能源發(fā)電的要求，各電力相關(guān)領(lǐng)域的光伏培訓(xùn)也已展開。本文結(jié)合光伏發(fā)電的原理和特性，基于自主研制的實(shí)訓(xùn)設(shè)備研究了高效的光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)課程，并進(jìn)行了實(shí)踐。

1 光伏路燈簡(jiǎn)介

隨著地球資源的日益貧乏， 基礎(chǔ)資源的投資成本日益攀高以及無處不在的環(huán)境污染和安全隱患，太陽(yáng)能作為一種“取之不盡、用之不竭”的清潔能源，越來越受到重視。 同時(shí)，隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步， 太陽(yáng)能發(fā)電在照明領(lǐng)域的發(fā)展已日趨完善。

太陽(yáng)能路燈主要是通過太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能，然后達(dá)到照明功效。 太陽(yáng)能路燈主要組成部分有：太陽(yáng)能電池組件、支架、光源、控制器、蓄電池［或電控箱（內(nèi)裝控制器、蓄電池）］、燈桿等幾部分組成。 光伏路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光伏路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于本實(shí)訓(xùn)需考慮光照條件對(duì)光伏電池的影響，而路燈由于安裝位置不同，因此光照條件各異，所以本實(shí)訓(xùn)選取了光伏路燈的光伏電池組件部分為研究對(duì)象，來進(jìn)行輸出特性實(shí)訓(xùn)。

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的，所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能，由光子激發(fā)出的電子-空穴對(duì)經(jīng)過分離而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及特性分析

2.1 光伏電池模型

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的，所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能，由光子激發(fā)出的電子-空穴對(duì)經(jīng)過分離而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 光伏電池組件的I-V特性隨日照強(qiáng)度S（W/m2）和電池溫度t（℃）而變化，即I=f（V，S，t）。 根據(jù)電子學(xué)理論，當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)，太陽(yáng)電池的實(shí)際等效電路如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路

對(duì)應(yīng)的I-V函數(shù)如下［2－3］：

光伏電池的輸出特性方程為：

I，V—光伏電池輸出電流和輸出電壓；

ISCR—25°C和1000W/m2條件下電路的短路電流1000W/m2；

IOS—暗飽和電流T-光伏電池的表面積溫度；

K—波爾滋曼常數(shù)；

KI—0.0017A/°C,ISCR下短路電流的溫度系數(shù)；

q—單位電荷， λ—輻射強(qiáng)度（W／m2）；

EGO—硅的禁帶寬度，Iph—光電流；

Tr=301.18K—參考溫度；

Ior—Tr下的暗飽和電流；

Rsh—電池的并聯(lián)電阻；

Rs—電池的串聯(lián)電阻；

A=B=1.92—理想系數(shù)。

2.2 光伏電池的電氣特性

光伏電池的I-V特性曲線包含其絕大多數(shù)技術(shù)特性，是系統(tǒng)分析最重要的方面。光伏電池的I-V特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 光伏電池的特性曲線

I-V特性曲線表明：光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對(duì)恒定， 最終在一個(gè)足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。曲線中的每一點(diǎn)都唯一對(duì)應(yīng)著光伏電池在該工作電壓下的輸出功率，Pm表示對(duì)應(yīng)于該日照強(qiáng)度和電池溫度下的光伏電池所能輸出的最大功率，Vm和Im則表示光伏電池輸出最大功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)電壓和電流。

3 光伏實(shí)訓(xùn)設(shè)備技術(shù)方案

本文提供了一種用于測(cè)試太陽(yáng)能光伏電池組件輸出特性的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)思想是與普通太陽(yáng)能光伏路燈配套使用，可方便的與太陽(yáng)能光伏路燈及相應(yīng)的設(shè)備連接，因此具有攜帶方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用的特點(diǎn)，同時(shí)滿足開展技術(shù)、技能培訓(xùn)與科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的要求。

該實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱，包括箱體和絕緣安裝板，絕緣安裝板位于箱體內(nèi)，還包括至少兩個(gè)電阻、至少一個(gè)電壓表、至少一個(gè)電流表、一個(gè)交流功率表以及若干開關(guān)和保險(xiǎn)絲，其中，各電路原件均固定在絕緣安裝板上；每個(gè)電阻串聯(lián)安裝開關(guān)和保險(xiǎn)絲后全部并聯(lián)，并聯(lián)電路兩端連接插口（另有一組為開關(guān)串聯(lián)保險(xiǎn)絲后并聯(lián)入并聯(lián)電路）； 電壓表和電流表電源側(cè)接蓄電池接口處，信號(hào)側(cè)接插口；交流功率表串聯(lián)一個(gè)開關(guān)K10后連接四個(gè)插口；另有三個(gè)開關(guān)K9、K11、K12分別連接四個(gè)插口， 分別作為光伏接口、蓄電池接口和路燈接口。

所述電阻的要求是：阻值型號(hào)是根據(jù)不同的光伏組件計(jì)算得到，比如電阻有7個(gè)，其阻值如下：2個(gè)1Ω/100W，2 個(gè)5Ω/100W，1 個(gè)Ω/100W，1 個(gè)30Ω/100W，一個(gè)50Ω/100W。

所述電壓表有3個(gè)，電流表有3個(gè)。

本實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱可以搭建光伏組件輸出特性測(cè)量電路，并進(jìn)行光伏組件輸出特性實(shí)驗(yàn)，包括U-I曲線、P-U曲線、P-I曲線。 測(cè)試時(shí)，通過各插口接入電源、蓄電池、光伏組件等，根據(jù)所測(cè)試的內(nèi)容不同可選擇不同的接入方式。

該實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，可方便的與光伏路燈搭配使用，同時(shí)滿足開展技術(shù)、技能培訓(xùn)與科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)的要求，為新能源專業(yè)學(xué)生及電力相關(guān)行業(yè)人員培訓(xùn)提供了很好的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有攜帶方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用等特點(diǎn)。

圖4為用于測(cè)試太陽(yáng)能光伏組件輸出特性的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)示意圖（其中，實(shí)線部分為實(shí)驗(yàn)箱組成部分，虛線部分為實(shí)驗(yàn)箱可接入的光伏路燈部分）。

圖4 用于測(cè)試太陽(yáng)能光伏組件輸出特性的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為用于搭建實(shí)驗(yàn)電路的電路圖。

圖5 實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)電路圖

4 實(shí)訓(xùn)實(shí)例分析

本實(shí)訓(xùn)的主要任務(wù)是用上述實(shí)驗(yàn)箱對(duì)太陽(yáng)能路燈中光伏電池組件的輸出特性進(jìn)行測(cè)試，使學(xué)員了解太陽(yáng)能發(fā)電的特性以及影響因素，進(jìn)而掌握太陽(yáng)能路燈和光伏電站的工作原理。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)該實(shí)訓(xùn)做進(jìn)一步說明并進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

1）測(cè)試步驟

測(cè)量光伏組件特性具體步驟如下， 按照?qǐng)D2連接電路，將太陽(yáng)能路燈上的光伏組件正、負(fù)極分別通過插口15、16接入實(shí)訓(xùn)試驗(yàn)箱， 將光伏路燈控制器對(duì)應(yīng)接入插口19、20、21、22、23、24、25、26， 將太陽(yáng)能光伏路燈出線接入插口27、28， 將蓄電池出線接入插口29、30，插口編碼如圖4所示。

a. 閉合開關(guān)K9、K11， 可以看到控制器上的充電指示燈亮，說明此時(shí)是太陽(yáng)能路燈的光伏電池給路燈的蓄電池充電的過程；

b. 閉合開關(guān)K9、K12，可以看到太陽(yáng)能路燈亮，說明此時(shí)是太陽(yáng)能路燈的光伏電池給路燈供電的過程；

c. 閉合開關(guān)K11、K12， 若蓄電池此時(shí)有電，則路燈亮，若蓄電池沒電，則路燈不亮。

將交流電源接入插口17、18， 閉合K10后重復(fù)上述a、b、c步驟可以觀察出交流電源和光伏電池同時(shí)供電的情況，并可以通過交流功率表看到交流供電功率的大小。

本實(shí)訓(xùn)的重點(diǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)為太陽(yáng)能光伏電池輸出特性的測(cè)試， 在實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱箱上按照?qǐng)D5的原理圖接線，用導(dǎo)線連接插口（19、5），（6、9），（10、20），（7、5），（8、6），如圖1。 通過開關(guān)K1-K8來拼成相應(yīng)的負(fù)載電阻值，以模擬滑動(dòng)變阻器使用（注：可選取任何一組電壓表、電流表）。 閉合開關(guān)K9，開始測(cè)量，測(cè)量過程中令K1-K8都斷開、K1閉合、K2閉合、K4閉合、K4和K5閉合、K5和K6閉合、K7和K6閉合、K5和K8閉合、K5閉合、K7和K8閉合、K7閉合、K8閉合分別記錄電壓表和電流表的讀數(shù)， 根據(jù)電壓、電流值即可得出光伏組件輸出特性曲線。

上述實(shí)施例中相關(guān)組件參數(shù)為：直流電壓表的量程為0-50V，直流電流表的量程為0-10A，且各表記都設(shè)有保險(xiǎn)絲電路；表記的電源由實(shí)驗(yàn)箱中蓄電池提供。

2)測(cè)試結(jié)果

光伏電池組件輸出電壓電流數(shù)據(jù)及功率計(jì)算記錄表如圖6所示：

表1 光伏電池組件輸出數(shù)據(jù)記錄

依據(jù)上述本實(shí)訓(xùn)結(jié)果測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制出光伏電池組件輸出特性曲線，如圖6所示：

由此可以看出，測(cè)試所得光伏電池的輸出特性與理論一致，并反映了不同光照強(qiáng)度下光伏電池組件輸出特性的差異，證實(shí)了本實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)箱在培訓(xùn)教學(xué)中的重要作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展及智能電網(wǎng)對(duì)接納新能源發(fā)電的要求的提出，光伏發(fā)電作為目前發(fā)展速度最快的替代能源之一，將會(huì)受到越來越多的關(guān)注，開展相關(guān)的光伏發(fā)電培訓(xùn)有助于光伏發(fā)電技術(shù)的提高和堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的順利推進(jìn)，因此是非常必要的。 而此實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用在理論結(jié)合實(shí)踐的基礎(chǔ)上，極大的提高了光伏發(fā)電教學(xué)培訓(xùn)的效率，值得在今后的培訓(xùn)中廣泛應(yīng)用。

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