太阳能光伏发电系统工程实训实验课件

太阳能光伏发电系统工程实训实验课件 实验一 太阳能光伏发电系统设计（4课时） 一、实验目的： 1、了解太阳能光伏发电系统的组成和原理； 2、了解太阳能电池板的参数测试； 3、了解蓄电池充放电性能及测试； 二、实验设备 照度计 太阳能电池板 数字万用表 导线 三、实验注意事项 实验中注意电池板不得承受压力 四、实验原理 当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。    太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N 结两边产生电压，使P-N 结短路，从而产生电流。这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。 太阳能电池开路电压 (Voc) 一般在3 V 至0.6 V 范围，短路电流 (Isc) 通常低于8A。 太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上电池。太阳能电池板有不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50 W至300 W。太阳能电池和电池板有许多相同的需要测试参数，如Voc, Isc, Pmax 图1: 太阳能电池I-V 曲线 五、实验内容 1、太阳能控制系统的设计 利用SMA软件设计一个太阳能控制系统方案 2、太阳能电池板参数测试 （1）开路电压VOC测量 用太阳能功率计记录不同光照强度E时的电压值VOC （2）短路电流ISC测量。 用太阳能功率计记录不同光照强度E时的电流值ISC （3）太阳能电池板伏安特性测试 用太阳能功率计记录不同的光照强度E时，从大到小调节负载电阻R，测量相应的电压V电流I。 找出电池输出最大功率时的电压值和电流值。I-V曲线（图1）上的Pmax点通常被称为最大功率点（MPP） Vmax——在Pmax点，电池的电压值。 Imax——在Pmax点，电池的电流值。 （4）器件的转换效率η测量。当太阳能电池连接到某个电路时，这个值等于被转换的能量（从吸收的太阳光到电能）与被采集的能量的百分比。这个值可以通过将Pmax除以输入的光辐照度（E，单位是W/m2，在标准测试条件下进行测量），再乘以太阳能电池的表面积（AC, 单位是平方米）计算得到。 （5）填充因子（FF）—Pmax除以VOC再乘上ISC 。 六、实验报告要求 1、分别画出太阳能电池板开路电压U和短路电流I对光照强度的变化曲线； 2、画出太阳能电池板I-U变化关系曲线； 3、画出太阳能电池板不同负载时的能量转换效率曲线； 4、分析太阳能电池的特点； 5、太阳能发电系统设计方案； 七、实验报告 实验二 太阳能光伏控制器设计、制作及安装（12学时） 一、实验目的： 1、了解太阳能光伏控制器的原理； 2、了解控制器的设计过程； 3、了解控制器PCB板的制作过程； 4、了解控制器的焊装及调试 二、实验设备 计算机 线路板雕刻机 焊台 数字万用表 三、实验注意事项 实验中注意严格遵照设备使用说明操作，注意安全； 四、实验原理 太阳能控制器是太阳能光伏系统中重要的组成部分,它在很大程度上决定了太阳能光伏系统的可靠性。控制器的任务主要是实现太阳能对蓄电池的充电并保护光伏系统中的蓄电池。 1、 UC3906介绍 UC3906作为密封铅酸蓄电池充电专用芯片，具有实现密封铅酸蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。内含有独立的电压控制电路和限流放大器，它可以控制芯片内的驱动器。驱动器提供的输出电流达25mA，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制充电状态逻辑电路的输入信号。 图1  UC3906内部结构框图     当电池电压或温度过低时，充电使能比较器控制充电器进入涓流充电状态。当驱动器截止时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器只能小电流充电，避免了因充电电流过大而损坏电池。     UC3906的一个非常重要特性就是具有精确的基准电压，其基准电压随环境温度而变，且变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致。同时，芯片只需1.7mA的输入电流就可工作，这样可以尽量减小芯片的功耗，实现对工作环境温度的准确检测，保证电池既充足电又不会严重过充电。除此之外，芯片内部还包括一个输入欠压检测电路以对充电周期进行初始化。这个电路还驱动一个逻辑输出，当加上输入电源后，脚7可以指示电源状态。 如图2所示，由RA、RB和RC组成的电阻分压网络用来检测充电电池的电压，通过与精确的参考电压（VREF）相比较来确定浮充电压、过充电压和涓流充电的阈值电压。 图2  双电平浮充充电器基本电路     蓄电池的一个充电周期按时间可分为三种状态：大电流快速充电状态，过充电状态和浮充电状态。其充电参数主要有浮充电电压VF、过充电电压VOC、最大充电电流Imax、过充电终止电流IOCT等。它们与RA、RB、RC、RS之间的关系可以从下面的公式反映出来：      VOC=VREF(1＋RA/RB＋RA/RC)   （1）      VF=VREF(1＋RA/RB)           （2）      Imax=0.25V/RS                 （3）      IOCT=0.025V/RS                （4） Imax=0.25V/RS=500*10 RS=0.25*1000/500=0.5     VF，VOC和VREF成正比。VREF的温度系数是－3.9mV/℃。Imax，IOCT，VOC，VF可以独立地设置。只要所提供的输入电源允许或功率管可以承受，Imax的值可以尽可能地大。虽然某些厂家宣称如果有过充保护电路，充电率可以达到甚至超过2C，但是电池厂商推荐的充电率范围是C/20～C/3。IOCT的选择应尽可能地使电池接近100％充电。合适值取决于VOC和在VOC时电池充电电流的衰减特性。Imax和IOCT分别由电流限制放大器和电流检测放大器的偏置电压和检测电流的电阻RS决定。VF、VOC的值由内部参考电压VREF和外部电阻RA、RB、RC组成的网络决定。     由于充电器始终接在蓄电池上，为防止蓄电池电流倒流入充电器，如图3，在串联调整管与输出端之间串入一只二极管。同时，为了避免输入电源中断后，蓄电池通过分压电阻R1、R2、R3放电，使R3通过电源指示晶体管（脚7）接地。 电池的额定电压为12V,容量为7Ah,VIN=18V,VF=13.8V,Voc=15V,IMAX=500mA,IOCT=50mA。由于充电器始终接在蓄电池上,为防止蓄电池的输出电流流入充电器,应在串联调整管与输出端之间串入一只二极管。同时为了避免输入电源中断后蓄电池通过分压电阻R3放电,设计时将R3通过电源指示晶体管(7脚)连接到地。 　　当18V输入电压加入后,串联的功率管TIP42C导通,开始大电流恒流充电,充电电流为500mA,这时充电电流保持不变,电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压Voc的95%(即14.25V)时,电池转入过充电状态,此时充电电压维持在过充电电压,充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流(IOCT)时,UC3906的10脚输出高电平,比较器LM339输出低电平,蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光,指示蓄电池已充足电。 　　 　　3结论 图3  12V密封铅酸电池双电平浮充充电器电路图 18V输入电压加入后，Q1导通，开始恒流充电，充电电流为500mA，电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压VOC的95％（即14.25V）时，电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（IOCT）时，UC3906的脚10输出高电平，比较器LM339输出低电平，蓄电池自动转入浮充状态。同时充足电指示发光管发光，指示蓄电池已充足电。 2、三段式铅酸蓄电池充电介绍 （1）恒流充电阶段，充电器充电电流保持恒定，充入电量快速增加，电池电压上升； 涓流阶段的低恒压值，值过高将使电池失水，容易使电池发热变形；值过低不利于电池充足电。 （2）恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，充入电量继续增加，电池电压缓慢上升，充电电流下降； 高恒压值，较高有利于快速充足电，但是容易使电池失水，充电后期电流下不来，结果使电池发热变形；较低不利于电池快速充足电，有利于向涓流阶段转换。 （3）浮充充电阶段， 蓄电池充满，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电器充电电压降低到浮充电压，保持为浮充电压； 转换电流，较高有利于电池寿命，不容易发热变形，但不利于电池快速充足电；较低有利于充足电，但是由于较长时间高电压充电，容易使电池失水，使电池发热变形。 五、实验内容 1、设计一简易太阳能蓄电池充放电控制器，绘制出原理图和PCB板图； 2、利用线路板雕刻机制作控制器PCB板； 3、按照原理图，正确焊装元器件，并调试； 六、实验报告要求 1、具体实训步骤； 2、分析太阳能控制器的设计参数的选择； 3、PCB制板注意事项； 4、焊装及调试心得； 七、实验报告 实验五太阳能发电系统逆变器设计及制作（4课时） 一、实验目的： 1、了解太阳能光伏控制器的原理； 2、了解控制器的设计过程； 3、了解控制器PCB板的制作过程； 4、了解控制器的焊装及调试 二、实验设备 计算机 线路板雕刻机 焊台 数字万用表 三、实验注意事项 实验中注意严格遵照设备使用说明操作，逆变器输出为220VAC，注意安全； 四、实验原理 由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，即光伏逆变器，将直流电转换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。 SG3524它是美国硅通用公司（Silicon General）生产的双端输出式脉宽调制芯片，包括了所有无电源变压器开关电源所要求的基本功能，如控制、保护、取样放大等功能，使用方便灵活，同时在制造上采用常规的平面工艺。SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS（固定频率开关电源）提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz，适宜构成100－500W中功率推挽输出式开关电源。 　　 SG3524采用是定频PWM电路，工作电源电压范围8V~35V，DIP－16型封装，管脚排列如图9所示。 　　SG3524的主要部分说明如下： 　　（1）基准源。SG3524从⑩脚输出5V基准电压，输出电流可达20mA，片内除“或非”门外，其他部分均由其供电，此外该电压还兼作误差放大器的基准电压。基准源的电压输入范围为8～40V，电压调整率为0.01％，负载调整率为0.4％，温度系数为2×10(-4)/℃，内设过电流和短路保护。 　　（2）误差放大器。SG3524片内误差放大器由一对差分放大器和一级单管放大电路等组成，开环增益60dB以上，输出阻抗为5MΩ。放大器由5V电压供电，其共模输入电压范围为1.8～3.4V，需要将输入基准电压分压送至误差放大器①脚（正电源电压输出）或②脚（负电源电压输出）。为使放大器能稳定工作，一般在⑨脚对地之间接入RC网络，RC网络的电阻和电容的值可分别取50kΩ和1000pF，以补偿系统的相移和频响特性。SG3524无专门的死区时间控制端子，而是靠基准电压分压至误差放大器的⑨脚，通过限制⑨脚的高电平数值来控制死区，为了不影响片内性能，可在⑨脚与分压端之间串联二极管，使⑨脚电位低于分压端电压时分压电路不起作用。 　　（4）控制关闭端。误差放大器的输出端受片内关闭电路晶体管的控制，利用外部电路控制晶体管的导通与截止即可控制输出脉冲的工作与关闭。⑩脚为控制晶体管基极的输入端子。利用