光伏组件输出特性的实训设备研制

张 彦 王仕韬 马梦朝 赵义术

国网技术学院 山东 济南 250002

太阳能光伏发电技术作为太阳能利用中最具意义的技术， 成为世界各国竞相研究应用的热点，近10年以平均每年30%的速度增长。 近年来，中国已成为太阳能光伏的重要生产基地，光伏电站的建设也正如火如荼的开展， 湖南湘潭正在建设的20MW屋顶光伏电站，完成后将成为世界最大的屋顶光伏电站。 随着光伏产业的迅猛发展，对于光伏发电技术人才需求也与日俱增，同时，为了实现国家能源发展的战略目标，满足智能电网的规划提出的高度重视新能源发电的要求，各电力相关领域的光伏培训也已展开。本文结合光伏发电的原理和特性，基于自主研制的实训设备研究了高效的光伏发电实训课程，并进行了实践。

1 光伏路灯简介

随着地球资源的日益贫乏， 基础资源的投资成本日益攀高以及无处不在的环境污染和安全隐患，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的清洁能源，越来越受到重视。 同时，随着太阳能光伏技术的发展进步， 太阳能发电在照明领域的发展已日趋完善。

太阳能路灯主要是通过太阳能电池板把光能转化为电能，然后达到照明功效。 太阳能路灯主要组成部分有：太阳能电池组件、支架、光源、控制器、蓄电池［或电控箱（内装控制器、蓄电池）］、灯杆等几部分组成。 光伏路灯系统结构图如图1所示。

图1 光伏路灯系统结构图

由于本实训需考虑光照条件对光伏电池的影响，而路灯由于安装位置不同，因此光照条件各异，所以本实训选取了光伏路灯的光伏电池组件部分为研究对象，来进行输出特性实训。

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象。

2 光伏电池数学模型及特性分析

2.1 光伏电池模型

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象。 光伏电池组件的I-V特性随日照强度S（W/m2）和电池温度t（℃）而变化，即I=f（V，S，t）。 根据电子学理论，当负载为纯电阻时，太阳电池的实际等效电路如图2所示。

图2 光伏电池等效电路

对应的I-V函数如下［2－3］：

光伏电池的输出特性方程为：

I，V—光伏电池输出电流和输出电压；

ISCR—25°C和1000W/m2条件下电路的短路电流1000W/m2；

IOS—暗饱和电流T-光伏电池的表面积温度；

K—波尔滋曼常数；

KI—0.0017A/°C,ISCR下短路电流的温度系数；

q—单位电荷， λ—辐射强度（W／m2）；

EGO—硅的禁带宽度，Iph—光电流；

Tr=301.18K—参考温度；

Ior—Tr下的暗饱和电流；

Rsh—电池的并联电阻；

Rs—电池的串联电阻；

A=B=1.92—理想系数。

2.2 光伏电池的电气特性

光伏电池的I-V特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分析最重要的方面。光伏电池的I-V特性是指在某一确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流之间的关系，如图3所示。

图3 光伏电池的特性曲线

I-V特性曲线表明：光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定， 最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。曲线中的每一点都唯一对应着光伏电池在该工作电压下的输出功率，Pm表示对应于该日照强度和电池温度下的光伏电池所能输出的最大功率，Vm和Im则表示光伏电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流。

3 光伏实训设备技术方案

本文提供了一种用于测试太阳能光伏电池组件输出特性的实训实验箱，该实训实验箱设计思想是与普通太阳能光伏路灯配套使用，可方便的与太阳能光伏路灯及相应的设备连接，因此具有携带方便，结构简洁实用的特点，同时满足开展技术、技能培训与科学研究实验的要求。

该实训实验箱，包括箱体和绝缘安装板，绝缘安装板位于箱体内，还包括至少两个电阻、至少一个电压表、至少一个电流表、一个交流功率表以及若干开关和保险丝，其中，各电路原件均固定在绝缘安装板上；每个电阻串联安装开关和保险丝后全部并联，并联电路两端连接插口（另有一组为开关串联保险丝后并联入并联电路）； 电压表和电流表电源侧接蓄电池接口处，信号侧接插口；交流功率表串联一个开关K10后连接四个插口；另有三个开关K9、K11、K12分别连接四个插口， 分别作为光伏接口、蓄电池接口和路灯接口。

所述电阻的要求是：阻值型号是根据不同的光伏组件计算得到，比如电阻有7个，其阻值如下：2个1Ω/100W，2 个5Ω/100W，1 个Ω/100W，1 个30Ω/100W，一个50Ω/100W。

所述电压表有3个，电流表有3个。

本实训实验箱可以搭建光伏组件输出特性测量电路，并进行光伏组件输出特性实验，包括U-I曲线、P-U曲线、P-I曲线。 测试时，通过各插口接入电源、蓄电池、光伏组件等，根据所测试的内容不同可选择不同的接入方式。

该实验箱结构简单，携带方便，可方便的与光伏路灯搭配使用，同时满足开展技术、技能培训与科学研究实验的要求，为新能源专业学生及电力相关行业人员培训提供了很好的实训实验平台，具有携带方便，结构简洁实用等特点。

图4为用于测试太阳能光伏组件输出特性的实训实验箱的结构示意图（其中，实线部分为实验箱组成部分，虚线部分为实验箱可接入的光伏路灯部分）。

图4 用于测试太阳能光伏组件输出特性的实训实验箱的结构示意图

图5为用于搭建实验电路的电路图。

图5 实训实验电路图

4 实训实例分析

本实训的主要任务是用上述实验箱对太阳能路灯中光伏电池组件的输出特性进行测试，使学员了解太阳能发电的特性以及影响因素，进而掌握太阳能路灯和光伏电站的工作原理。下面结合实例对该实训做进一步说明并进行结果验证。

1）测试步骤

测量光伏组件特性具体步骤如下， 按照图2连接电路，将太阳能路灯上的光伏组件正、负极分别通过插口15、16接入实训试验箱， 将光伏路灯控制器对应接入插口19、20、21、22、23、24、25、26， 将太阳能光伏路灯出线接入插口27、28， 将蓄电池出线接入插口29、30，插口编码如图4所示。

a. 闭合开关K9、K11， 可以看到控制器上的充电指示灯亮，说明此时是太阳能路灯的光伏电池给路灯的蓄电池充电的过程；

b. 闭合开关K9、K12，可以看到太阳能路灯亮，说明此时是太阳能路灯的光伏电池给路灯供电的过程；

c. 闭合开关K11、K12， 若蓄电池此时有电，则路灯亮，若蓄电池没电，则路灯不亮。

将交流电源接入插口17、18， 闭合K10后重复上述a、b、c步骤可以观察出交流电源和光伏电池同时供电的情况，并可以通过交流功率表看到交流供电功率的大小。

本实训的重点测试环节为太阳能光伏电池输出特性的测试， 在实训实验箱箱上按照图5的原理图接线，用导线连接插口（19、5），（6、9），（10、20），（7、5），（8、6），如图1。 通过开关K1-K8来拼成相应的负载电阻值，以模拟滑动变阻器使用（注：可选取任何一组电压表、电流表）。 闭合开关K9，开始测量，测量过程中令K1-K8都断开、K1闭合、K2闭合、K4闭合、K4和K5闭合、K5和K6闭合、K7和K6闭合、K5和K8闭合、K5闭合、K7和K8闭合、K7闭合、K8闭合分别记录电压表和电流表的读数， 根据电压、电流值即可得出光伏组件输出特性曲线。

上述实施例中相关组件参数为：直流电压表的量程为0-50V，直流电流表的量程为0-10A，且各表记都设有保险丝电路；表记的电源由实验箱中蓄电池提供。

2)测试结果

光伏电池组件输出电压电流数据及功率计算记录表如图6所示：

表1 光伏电池组件输出数据记录

依据上述本实训结果测得的数据绘制出光伏电池组件输出特性曲线，如图6所示：

由此可以看出，测试所得光伏电池的输出特性与理论一致，并反映了不同光照强度下光伏电池组件输出特性的差异，证实了本实训实验箱在培训教学中的重要作用。

5 结束语

综上所述，随着太阳能光伏产业的迅速发展及智能电网对接纳新能源发电的要求的提出，光伏发电作为目前发展速度最快的替代能源之一，将会受到越来越多的关注，开展相关的光伏发电培训有助于光伏发电技术的提高和坚强智能电网的顺利推进，因此是非常必要的。 而此实训实验设备的设计和使用在理论结合实践的基础上，极大的提高了光伏发电教学培训的效率，值得在今后的培训中广泛应用。

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