DB-SWP03风光互补发电实训系统光伏供电装置实训实验
2.1 光伏电池方阵的安装
2.1.1 实训的目的和要求
1. 实训的目的
（1）了解单晶硅光伏电池单体的工作原理。
（2）掌握光伏电池方阵的安装方法。
2. 实训的要求
（1）在室外自然光照的情况下，用万用表测量光伏电池组件的开路电压，了解光伏电池的输出电压值。
（2）在室外自然光照条件下和在室内灯光的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压，分析光伏电池方阵在室内、外光照条件下开路电压区别的原因。
2.1.2 基本原理
1．本征半导体
纯净半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物质，纯净的半导体称为本征半导体。制造半导体器件的常用半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）等。本征硅半导体中的硅原子核最外层有四个价电子，硅晶体为共价键结构，硅原子最外层的价电子被共价键束缚，在低温下，这些共价键是完好的，本征硅半导体显示出绝缘体特性。当温度升高或受到光照等外界激发时，共价键中的某些价电子会获得能量，摆脱共价键束缚，成为可以自由运动的电子，在原来的共价键中留出空穴。这些空穴又会被邻近的共价键中的价电子填补，并在邻近的共价键中产生新的空穴，空穴运动是带负电荷的的价电子运动造成的，其效果是带正电荷的粒子在运动。可以认为，自由电子是带负电荷的载流子，空穴是带正电荷的载流子。因此，本征半导体中有两种载流子即电子和空穴，它们是成对出现的，称为电子-空穴对，两种载流子都可以传导电流。通常本征半导体中的载流子浓度很低，导电能力差。当温度升高或受到光照时，本征半导体中的载流子浓度按指数规律增加，半导体的导电能力也显著增加。
2．P型半导体和N型半导体
纯净半导体中加入了微量三价元素和五价元素，其导电能力会明显增强。三价元素的原子核的最外层有三个价电子，在形成共价键时，产生了一个空穴。五价元素的原子核的最外层有五个价电子，在形成共价键时，产生了一个自由电子。在本征硅半导体中掺入微量三价元素硼后，本征硅半导体中的空穴浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。在P型半导体中，空穴浓度高于电子，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子。在本征硅半导体中掺入微量五价元素磷后，本征硅半导体中的电子浓度大大增加，半导体的导电能力明显提高，主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体。在N型半导体中，电子的浓度高于空穴，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子。无论是P型半导体还是N型半导体，整个硅晶体中的正负电荷数量是相等的，是电中性的。
3．PN结
采用特殊制造工艺使硅半导体的一边为P型半导体，另一边为N型半导体。由于在P型半导体中的空穴浓度高于电子浓度，而在N型半导体中电子浓度高于空穴浓度，因此，在P型半导体和N型半导体的交界面存在空穴和电子的浓度差。多数载流子会从高浓度处向低浓度处运动，这种由浓度差引起的多数载流子运动称为扩散运动，扩散运动的结果是在交界面P区一侧失去空穴留下不能移动的负离子，在N区一侧失去电子留下不能移动的正离子。在P型硅半导体和N型硅半导体交界面的两侧出现了由不能移动的正负离子形成的空间电荷区，称之为PN结。空间电荷区中产生了一个从N区指向P区的电场，该电场由多数载流子扩散而形成，称为内电场。空间电荷区中没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽层。如图2-1所示是半导体PN结的结构示意图。
图2-1 半导体PN结的结构示意图
PN结中的内电场力会使P区的电子即少数载流子向N区运动，同时使N区的空穴即少数载流子向P区运动，少数载流子在内电场力的作用下的运动称为漂移运动。
扩散运动和漂移运动的方向是相反的，起初，空间电荷区较小，内电场较弱，扩散运动占优势。随后空间电荷区不断扩大，内电场增强，对多数载流子扩散的阻力不断增大，多数载流子扩散运动逐渐减弱，然而少数载流子的漂移运动不断增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度相对稳定，流过PN结的扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反，总电流保持为零。
4. 光伏电池
光伏电池是半导体PN结接受太阳光照产生光生电势效应，将光能变换为电能的变换器。当太阳光照射到具有PN结的半导体表面，P区和N区中的价电子受到太阳光子的冲激，获得能量摆脱共价键的束缚产生电子和空穴多数载流子和少数载流子，被太阳光子激发产生的电子和空穴多数载流子在半导体中复合，不呈现导电作用。在PN结附近P区被太阳光子激发产生的电子少数载流子受漂移作用到达N区，同样，PN结附近N区被太阳光子激发产生的空穴少数载流子受漂移作用到达P区，少数载流子漂移对外形成与PN结电场方向相反的光生电场，如果接入负载，N区的电子通过外电路负载流向P区形成电子流，进入P区后与空穴复合。我们知道，电子流动方向与电流流动方向是相反的，光伏电池接入负载后，电流是从电池的P区流出，经过负载流入N区回到电池。
光伏电池单体是光电转换最小的单元，尺寸为4～100cm2不等。光伏电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20～25mA∕cm2。光伏电池单体不能单独作为光伏电源使用，将光伏电池单体进行串、并联封装后，构成光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是单独作为光伏电源使用的最小单元。光伏电池组件的光伏电池的标准数量是36片（10cm×10cm），大约能产生17V左右的电压，能为额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。图2-2是标准的光伏电池组件。光伏电池组件经过串、并联组合安装在支架上，构成了光伏电池方阵，可以满足光伏发电系统负载所要求的输出功率。
图2-2 光伏电池组件
目前主要有3种商品化的硅光伏电池：单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池所使用的单晶硅材料与半导体行业所使用的材料有相同的品质，单晶硅光伏电池的成本比较贵，光电转换效率为13%～15%。多晶硅光伏电池的制造成本比单晶硅光伏电池低，光电转换效率比单晶硅太阳能电池要低，一般为10%～12%。非晶硅光伏电池属于薄膜电池，造价低廉，光电转换率比较低，一般为5%～8%。
光伏电池组件正面采用高透光率的钢化玻璃，背面是聚乙烯氟化物膜，光伏电池两边用EVA或PVB胶热压封装，四周用轻质铝型材边框固定，由接线盒引出电极。由于玻璃、密封胶的透光率的影响以及光伏电池之间性能失配等因素，组件的光电转换效率一般要比光伏电池单体的光电转换效率要低5%～10%。
2.1.3 实训内容
（1）在室外自然光照的情况下，用万用表测量光伏电池组件的开路电压，计算光伏电池单体的工作电压。
（2）将4块单晶硅光伏电池组件安装在铝型材支架上，光伏电池组件并联连接。在室内、外光照的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压。
（3）将4块单晶硅光伏电池组件2串2并联连接，在室内、外光照的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压。
2.1.4 操作步骤
1.使用的器材和工具
（1）光伏电池组件，数量：4块。
（2）铝型材，型号：XC-6-2020，数量：4根，长度：860mm。
（3）铝型材，型号：XC-6-2020，数量：2根，长度：760mm。
（4）万用表，数量：1块。
（5）内六角扳手，数量：1套。十字型螺丝刀和一字型螺丝刀，数量：各1把。
（6）螺丝、螺母若干。
2.操作步骤
（1）用万用表测量光伏电池组件上的光伏电池的连接导线，了解光伏电池实现组件的封装。
（2）将1块光伏电池组件移至室外，让光伏电池组件正对着自然光线。用万用表直流电压档的合适量程测量单晶硅光伏电池组件的开路电压，记录开路电压数值。统计光伏电池组件上光伏电池单体的数量，计算光伏电池单体的工作电压。将光伏电池组件的开路电压、光伏电池单体的工作电压填入表2-1中。
表2-1 光伏电池组件的开路电压和光伏电池单体的工作电压
|
光伏电池组件 开路电压U/V |
光伏电池单体数量（块） |
光伏电池单体 工作电压U/V |
图2-3 光伏电池组件安装成光伏电池方阵示意图
将安装好的光伏电池方阵移至室外，让光伏电池方阵正对着自然光线。用万用表直流电压档的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。
将安装好的光伏电池方阵移至室内，让光伏电池方阵正对着室内灯光。用万用表直流电压档的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。
（4）4块光伏电池组件引出线进行2串2并连接，移至室外。让光伏电池方阵正对着自然光线。用万用表直流电压档的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。
将2串2并连接的光伏电池方阵移至室内，正对着室内灯光。用万用表直流电压档的合适量程测量光伏电池方阵的开路电压，记录开路电压数值。
（5）将上述的开路电压数值填入表2-2内。
表2-2 光伏电池方阵的开路电压
| 光伏电池组件并联开路电压U/V | 光伏电池组件2串2并开路电压U/V | |
| 室外 | ||
| 室内 |
（1）光伏电池单体是光电转换最小的单元，工作电压约为0.5V，不能单独作为光伏电源使用。将光伏电池单体进行串、并联封装构成光伏电池组件，是单独作为光伏电源使用的最小单元。实际工程中是将光伏电池组件经过串、并联组合，构成了光伏电池方阵，以满足不同的负载需要。
（2）将光伏电池组件安置在室外自然光线下测量开路电压，计算出的光伏电池单体工作电压是比较接近实际值。
（3）光伏电池组件在室内、外的开路电压是有明显的差异，表明光伏电池组件在较强的光照度下，能够提供较大的电能。
（4）为了使得光伏电池组件提供较大的电能，方法之一是采用光伏电池组件跟踪光源。
2.2 光伏供电装置组装
2.2.1 实训的目的和要求
1. 实训的目的
（1）了解光伏供电装置的组成。
（2）理解水平和俯仰方向运动机构的结构。
2. 实训的要求
（1）组装光伏供电装置。
（2）根据光伏供电系统主电路电气原理图和接插座图，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。
2.2.2 基本原理
光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、摆杆支架、摆杆减速箱、单相交流电动机、电容器、水平方向和俯仰方向运动机构、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成。
1. 水平方向和俯仰方向运动机构
水平方向和俯仰方向运动机构如图2-4所示，水平方向和俯仰方向运动机构中有两个减速箱，一个称为水平方向运动减速箱，另一个称为俯仰方向运动减速箱，这两个减速箱的减速比为1:80，分别由水平运动和俯仰运动直流电动机通过传动链条驱动。光伏电池方阵安装在水平方向和俯仰方向运动机构上方，如图2-5所示，当水平方向和俯仰方向运动机构运动时，带动光伏电池方阵作水平方向偏转移动和俯仰方向偏转移动。
图2-4 水平方向和俯仰方向运动机构
图2-5 光伏电池方阵与水平方向和俯仰方向运动机构
2. 光源移动机构
摆杆支架安装在摆杆减速箱的输出轴上，摆杆减速箱的减速比为1:3000，摆杆减速箱由单相交流电动机驱动，摆杆支架上方安装2盏300W的投射灯，组成如图2-6所示的光源移动机构。当交流电动机旋转时，投射灯随摆杆支架作圆周移动，实现投射灯光源的连续运动。
图2-6 光源移动机构
3. 光线传感器
光线传感器安装在光伏电池方阵中央，用于获取不同位置的投射灯的光照强度，光线传感器通过光线传感控制盒，将东、西、北、南方向的投射灯的光强信号转换成开关量信号传输给光伏供电系统的PLC，由PLC进行相应的控制。
4. 光伏供电装置结构
水平方向和俯仰方向运动机构、光源移动机构分别安装在底座支架上，组成光伏供电装置，图2-7是光伏供电装置底座支架示意图，图2-8是光伏供电装置示意图。图2-9和图2-10分别是光伏电池方阵偏转移动示意图和投射灯光源连续运动示意图。
图2-7 光伏供电装置底座支架示意图
图2-8 光伏供电装置示意图
图2-9 光伏电池方阵偏转移动示意图
图2-10 投射灯光源连续运动示意图
5. 接近开关和微动开关
水平方向和俯仰方向运动机构中装有接近开关和微动开关，用于提供光伏电池方阵作水平偏转和俯仰偏转的极限位置信号。
与光源移动机构连接的底座支架部分装有接近开关和微动开关，微动开关用于限位，接近开关用于提供午日位置信号。
2.2.3 实训内容
（1）完成光伏供电装置的组装。
（2）整理水平和俯仰方向运动机构、投射灯、单相交流电动机、接近开关和微动开关的电源线、信号线和控制线，根据CON1～CON7接插座图，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。
2.2.4 操作步骤
1. 使用的器材和工具
（1）光伏电池方阵、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构，数量：各1个。
（2）摆杆减速箱，减速比1:3000；单相交流电动机，AC220V/90W；电容器，47μF/450V；摆杆支架，数量：各1个。
（3）投射灯，300W，数量：2个。
（4）接近开关，数量：2个。
（5）微动开关，数量：4个。
（6）底座支架，数量：1个。
（7）接插座，数量：7个、
（8）万用表，数量：1块。
（9）电烙铁，热风枪，数量：各1把。
（10）螺丝、螺母若干。
（11）连接线、热缩管若干。
2. 操作步骤
（1）将光线传感器安装在光伏电池方阵中央，然后将光伏电池方阵安装在水平方向和俯仰方向运动机构的支架上，再将光线传感控制盒装在底座支架上，要求紧固件不松动。
将水平方向和俯仰方向运动机构中的两个直流电动机分别接+24V电源，光伏电池方阵匀速作水平方向或俯仰方向的偏移运动。
（2）将摆杆支架安装在摆杆减速箱的输出轴，然后将摆杆减速箱固定在底座支架上，再将2盏投射灯安装在摆杆支架上方的支架上，要求紧固件不松动。
（3）根据光伏供电主电路电气原理图和接插座图，焊接水平方向和俯仰方向运动机构、单相交流电动机、电容器、投射灯、光线传感器、光线传感控制盒、电容器、接近开关和微动开关的引出线，引出线的焊接要光滑、可靠，焊接端口使用热缩管绝缘。
（4）整理上述焊接好的引出线，将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中，接插座端的引出线使用管型端子和接线标号。
2.2.5 小结
（1）光伏供电装置是风光互补发电实训系统将光能转换为电能的基本装置，该装置有几个重要组成部分：光源移动机构、光线传感器和光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构。
光源移动机构的功能是使光源连续移动，模拟日光的运动轨迹。光线传感器采集光源的光强度，通过光线传感器控制盒将不同位置的光强信号传输给光伏供电系统。光伏供电系统中的PLC接受光强信号后，控制水平方向和俯仰方向运动机构中的直流电动机旋转，使得光伏电池方阵对准光源以获取最大的光电转换效率。
（2）接近开关和微动开关是光伏供电装置中不可缺少的器件，这些器件用于确定光源移动机构和光伏电池方阵在移动中的位置，起到定位和保护作用。
（3）光伏供电装置各部分的动作是由光伏供电系统来控制完成。