太阳能电池光伏系统直接负载特性实验说明

一、太阳能电池光伏系统实训装置,太阳能电池光伏系统实训台实验目的：
了解太阳能电池板的电压输出特性。

序号	名      称	备      注
1	MY-PV18 太阳能光伏发电系统实验实训装置
2	万用表	自备
3	可调负载（可变电阻器）	与太阳能输出电压等级相匹配，自备

三、太阳能电池光伏系统实训装置,太阳能电池光伏系统实训台实验原理：
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、防火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，防火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风表1.
防火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1.
表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火型交通指示灯	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
其它	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

放电深度（%）
各种铅蓄电池的期望寿命特性
图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予补给：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=KQ_LN_LT_O/Cc(Ah)
式中：K为安全系数，取1.1～1.4；Q_L为负载日平均耗电量，即等于工作电流乘以日工作小时数；N_L为最长连续阴雨天数；T_O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，就要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=U_R/U_DC=（Uf+UD+Uc）/U_DC
式中：U_R为太阳能电池方阵输出最小电压；U_DC为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池充电压；U_D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景H，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=H₁×2.778/10000（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Q_P：
Q_P=I_OCHK_OPC₇（Ah）
式中：I_OC为太阳能电池组件最佳工作电流，K_OP为斜面修正系数（日照射量见表）；C₇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=KQ_LN_L(Ah)
Q_L=P/V_L×N
太阳能电池组件并联数NP计算方法：
N_P=（Bcb+N_WQ_L）/（Q_PN_D）
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=P_ON_SN_P（W）
式中：P_O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	日辐射量H1	最佳倾角op	斜面日辐射量	修正系数Kop
哈尔滨	45.68	12703	+3	15838	1.140
长春	43.90	13572	+1	17127	1.1548
沈阳	41.77	13793	+1	16563	1.0671
北京	39.8	15261	+4	18035	1.0976
天津	39.10	14356	+5	16722	1.0692
呼和浩特	40.78	16574	+3	20075	1.1468
太原	37.78	15061	+5	17394	1.1005
乌鲁木齐	43.78	14464	+12	16594	1.0092
西宁	36.78	16777	+1	19617	1.136
兰州	36.05	14966	+8	15842	0.9489
银川	38.48	16553	+2	19615	1.1559
西安	34.30	12781	+14	12952	0.9275
上海	31.17	12760	+3	13691	0.990
南京	32.00	13099	+5	14207	1.0249
合肥	31.85	12525	+9	13299	0.9988
杭州	30.232	11668	+3	13272	0.9362
南昌	28.67	13094	+2	13714	0.8640
福州	26.08	12001	+4	12451	0.88978
济南	36.68	14043	+6	15994	1.0630
郑州	34.72	13332	+7	14558	1.0476
武汉	30.63	13201	+7	13707	0.9036
长沙	28.20	11377	+6	11589	0.8028
广州	23.13	12110	-7	12702	0.8850
海口	20.03	13835	+12	13510	0.8761
南宁	22.82	12515	+5	12734	0.8231
成都	30.67	10392	+2	10304	0.7553
贵阳	26.58	10327	+8	10235	0.8135
昆明	25.02	14194	-8	15333	0.9216
拉萨	29.70	21301	-8	24151	1.0964

实际运用中，光伏电池常常是与蓄电池混合供电的。这个温和供电系统可等效为一个光伏电池带负载，带偏压的电路，其等效电路的负载特性曲线如图2～4所示：
 
图2 光伏电池有负载、有偏压时的等效电路

图3 光伏电池有负载、有偏压的伏安特性        图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.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.将系统带的直流风机或LED照明灯接至输出测试孔上并打开输出开关（注意正负极不要接反），观察并记录直流电压表和直流电流表的示值。
    4.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。
    5.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。
    6.如果负载为12V，功率为3W，每天工作24h，最长连续阴雨天为10天，两个最长连续阴雨天的最短间隔天数为30天，太阳能组件的标准功率为20W，工作电压为17V，工作电流为1.8A，蓄电池的浮充电压为14V±1V。计算需要配置的太阳能电池方阵功率以及蓄电池的容量。

编号	负载/	电压/V	电流/A	功率/W
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