DB-SWP03風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)光伏供電裝置實訓(xùn)實驗
2.1 光伏電池方陣的安裝
2.1.1 實訓(xùn)的目的和要求
1. 實訓(xùn)的目的
（1）了解單晶硅光伏電池單體的工作原理。
（2）掌握光伏電池方陣的安裝方法。
2. 實訓(xùn)的要求
（1）在室外自然光照的情況下，用萬用表測量光伏電池組件的開路電壓，了解光伏電池的輸出電壓值。
（2）在室外自然光照條件下和在室內(nèi)燈光的情況下，用萬用表測量光伏電池方陣的開路電壓，分析光伏電池方陣在室內(nèi)、外光照條件下開路電壓區(qū)別的原因。
2.1.2 基本原理
1．本征半導(dǎo)體
純凈半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)，純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的常用半導(dǎo)體材料有硅（Si）、鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）等。本征硅半導(dǎo)體中的硅原子核最外層有四個價電子，硅晶體為共價鍵結(jié)構(gòu)，硅原子最外層的價電子被共價鍵束縛，在低溫下，這些共價鍵是完好的，本征硅半導(dǎo)體顯示出絕緣體特性。當(dāng)溫度升高或受到光照等外界激發(fā)時，共價鍵中的某些價電子會獲得能量，擺脫共價鍵束縛，成為可以自由運(yùn)動的電子，在原來的共價鍵中留出空穴。這些空穴又會被鄰近的共價鍵中的價電子填補(bǔ)，并在鄰近的共價鍵中產(chǎn)生新的空穴，空穴運(yùn)動是帶負(fù)電荷的的價電子運(yùn)動造成的，其效果是帶正電荷的粒子在運(yùn)動。可以認(rèn)為，自由電子是帶負(fù)電荷的載流子，空穴是帶正電荷的載流子。因此，本征半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴，它們是成對出現(xiàn)的，稱為電子-空穴對，兩種載流子都可以傳導(dǎo)電流。通常本征半導(dǎo)體中的載流子濃度很低，導(dǎo)電能力差。當(dāng)溫度升高或受到光照時，本征半導(dǎo)體中的載流子濃度按指數(shù)規(guī)律增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力也顯著增加。
2．P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體
純凈半導(dǎo)體中加入了微量三價元素和五價元素，其導(dǎo)電能力會明顯增強(qiáng)。三價元素的原子核的最外層有三個價電子，在形成共價鍵時，產(chǎn)生了一個空穴。五價元素的原子核的最外層有五個價電子，在形成共價鍵時，產(chǎn)生了一個自由電子。在本征硅半導(dǎo)體中摻入微量三價元素硼后，本征硅半導(dǎo)體中的空穴濃度大大增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力明顯提高，主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴濃度高于電子，空穴稱為多數(shù)載流子，電子稱為少數(shù)載流子。在本征硅半導(dǎo)體中摻入微量五價元素磷后，本征硅半導(dǎo)體中的電子濃度大大增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力明顯提高，主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子的濃度高于空穴，電子稱為多數(shù)載流子，空穴稱為少數(shù)載流子。無論是P型半導(dǎo)體還是N型半導(dǎo)體，整個硅晶體中的正負(fù)電荷數(shù)量是相等的，是電中性的。
3．PN結(jié)
采用特殊制造工藝使硅半導(dǎo)體的一邊為P型半導(dǎo)體，另一邊為N型半導(dǎo)體。由于在P型半導(dǎo)體中的空穴濃度高于電子濃度，而在N型半導(dǎo)體中電子濃度高于空穴濃度，因此，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面存在空穴和電子的濃度差。多數(shù)載流子會從高濃度處向低濃度處運(yùn)動，這種由濃度差引起的多數(shù)載流子運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果是在交界面P區(qū)一側(cè)失去空穴留下不能移動的負(fù)離子，在N區(qū)一側(cè)失去電子留下不能移動的正離子。在P型硅半導(dǎo)體和N型硅半導(dǎo)體交界面的兩側(cè)出現(xiàn)了由不能移動的正負(fù)離子形成的空間電荷區(qū)，稱之為PN結(jié)。空間電荷區(qū)中產(chǎn)生了一個從N區(qū)指向P區(qū)的電場，該電場由多數(shù)載流子擴(kuò)散而形成，稱為內(nèi)電場。空間電荷區(qū)中沒有載流子，所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡層。如圖2-1所示是半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-1 半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖
PN結(jié)中的內(nèi)電場力會使P區(qū)的電子即少數(shù)載流子向N區(qū)運(yùn)動，同時使N區(qū)的空穴即少數(shù)載流子向P區(qū)運(yùn)動，少數(shù)載流子在內(nèi)電場力的作用下的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。
擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的方向是相反的，起初，空間電荷區(qū)較小，內(nèi)電場較弱，擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢。隨后空間電荷區(qū)不斷擴(kuò)大，內(nèi)電場增強(qiáng)，對多數(shù)載流子擴(kuò)散的阻力不斷增大，多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動逐漸減弱，然而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動不斷增強(qiáng)。最后，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度相對穩(wěn)定，流過PN結(jié)的擴(kuò)散電流和漂移電流大小相等、方向相反，總電流保持為零。
4. 光伏電池
光伏電池是半導(dǎo)體PN結(jié)接受太陽光照產(chǎn)生光生電勢效應(yīng)，將光能變換為電能的變換器。當(dāng)太陽光照射到具有PN結(jié)的半導(dǎo)體表面，P區(qū)和N區(qū)中的價電子受到太陽光子的沖激，獲得能量擺脫共價鍵的束縛產(chǎn)生電子和空穴多數(shù)載流子和少數(shù)載流子，被太陽光子激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴多數(shù)載流子在半導(dǎo)體中復(fù)合，不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用。在PN結(jié)附近P區(qū)被太陽光子激發(fā)產(chǎn)生的電子少數(shù)載流子受漂移作用到達(dá)N區(qū)，同樣，PN結(jié)附近N區(qū)被太陽光子激發(fā)產(chǎn)生的空穴少數(shù)載流子受漂移作用到達(dá)P區(qū)，少數(shù)載流子漂移對外形成與PN結(jié)電場方向相反的光生電場，如果接入負(fù)載，N區(qū)的電子通過外電路負(fù)載流向P區(qū)形成電子流，進(jìn)入P區(qū)后與空穴復(fù)合。我們知道，電子流動方向與電流流動方向是相反的，光伏電池接入負(fù)載后，電流是從電池的P區(qū)流出，經(jīng)過負(fù)載流入N區(qū)回到電池。
光伏電池單體是光電轉(zhuǎn)換最小的單元，尺寸為4～100cm2不等。光伏電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為20～25mA∕cm2。光伏電池單體不能單獨(dú)作為光伏電源使用，將光伏電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，構(gòu)成光伏電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是單獨(dú)作為光伏電源使用的最小單元。光伏電池組件的光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片（10cm×10cm），大約能產(chǎn)生17V左右的電壓，能為額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。圖2-2是標(biāo)準(zhǔn)的光伏電池組件。光伏電池組件經(jīng)過串、并聯(lián)組合安裝在支架上，構(gòu)成了光伏電池方陣，可以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載所要求的輸出功率。
圖2-2 光伏電池組件
目前主要有3種商品化的硅光伏電池：單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。單晶硅光伏電池所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體行業(yè)所使用的材料有相同的品質(zhì)，單晶硅光伏電池的成本比較貴，光電轉(zhuǎn)換效率為13%～15%。多晶硅光伏電池的制造成本比單晶硅光伏電池低，光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅太陽能電池要低，一般為10%～12%。非晶硅光伏電池屬于薄膜電池，造價低廉，光電轉(zhuǎn)換率比較低，一般為5%～8%。
光伏電池組件正面采用高透光率的鋼化玻璃，背面是聚乙烯氟化物膜，光伏電池兩邊用EVA或PVB膠熱壓封裝，四周用輕質(zhì)鋁型材邊框固定，由接線盒引出電極。由于玻璃、密封膠的透光率的影響以及光伏電池之間性能失配等因素，組件的光電轉(zhuǎn)換效率一般要比光伏電池單體的光電轉(zhuǎn)換效率要低5%～10%。
2.1.3 實訓(xùn)內(nèi)容
（1）在室外自然光照的情況下，用萬用表測量光伏電池組件的開路電壓，計算光伏電池單體的工作電壓。
（2）將4塊單晶硅光伏電池組件安裝在鋁型材支架上，光伏電池組件并聯(lián)連接。在室內(nèi)、外光照的情況下，用萬用表測量光伏電池方陣的開路電壓。
（3）將4塊單晶硅光伏電池組件2串2并聯(lián)連接，在室內(nèi)、外光照的情況下，用萬用表測量光伏電池方陣的開路電壓。
2.1.4 操作步驟
1.使用的器材和工具
（1）光伏電池組件，數(shù)量：4塊。
（2）鋁型材，型號：XC-6-2020，數(shù)量：4根，長度：860mm。
（3）鋁型材，型號：XC-6-2020，數(shù)量：2根，長度：760mm。
（4）萬用表，數(shù)量：1塊。
（5）內(nèi)六角扳手，數(shù)量：1套。十字型螺絲刀和一字型螺絲刀，數(shù)量：各1把。
（6）螺絲、螺母若干。
2.操作步驟
（1）用萬用表測量光伏電池組件上的光伏電池的連接導(dǎo)線，了解光伏電池實現(xiàn)組件的封裝。
（2）將1塊光伏電池組件移至室外，讓光伏電池組件正對著自然光線。用萬用表直流電壓檔的合適量程測量單晶硅光伏電池組件的開路電壓，記錄開路電壓數(shù)值。統(tǒng)計光伏電池組件上光伏電池單體的數(shù)量，計算光伏電池單體的工作電壓。將光伏電池組件的開路電壓、光伏電池單體的工作電壓填入表2-1中。
表2-1 光伏電池組件的開路電壓和光伏電池單體的工作電壓
|
光伏電池組件 開路電壓U/V |
光伏電池單體數(shù)量（塊） |
光伏電池單體 工作電壓U/V |
圖2-3 光伏電池組件安裝成光伏電池方陣示意圖
將安裝好的光伏電池方陣移至室外，讓光伏電池方陣正對著自然光線。用萬用表直流電壓檔的合適量程測量光伏電池方陣的開路電壓，記錄開路電壓數(shù)值。
將安裝好的光伏電池方陣移至室內(nèi)，讓光伏電池方陣正對著室內(nèi)燈光。用萬用表直流電壓檔的合適量程測量光伏電池方陣的開路電壓，記錄開路電壓數(shù)值。
（4）4塊光伏電池組件引出線進(jìn)行2串2并連接，移至室外。讓光伏電池方陣正對著自然光線。用萬用表直流電壓檔的合適量程測量光伏電池方陣的開路電壓，記錄開路電壓數(shù)值。
將2串2并連接的光伏電池方陣移至室內(nèi)，正對著室內(nèi)燈光。用萬用表直流電壓檔的合適量程測量光伏電池方陣的開路電壓，記錄開路電壓數(shù)值。
（5）將上述的開路電壓數(shù)值填入表2-2內(nèi)。
表2-2 光伏電池方陣的開路電壓
| 光伏電池組件并聯(lián)開路電壓U/V | 光伏電池組件2串2并開路電壓U/V | |
| 室外 | ||
| 室內(nèi) |
（1）光伏電池單體是光電轉(zhuǎn)換最小的單元，工作電壓約為0.5V，不能單獨(dú)作為光伏電源使用。將光伏電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)封裝構(gòu)成光伏電池組件，是單獨(dú)作為光伏電源使用的最小單元。實際工程中是將光伏電池組件經(jīng)過串、并聯(lián)組合，構(gòu)成了光伏電池方陣，以滿足不同的負(fù)載需要。
（2）將光伏電池組件安置在室外自然光線下測量開路電壓，計算出的光伏電池單體工作電壓是比較接近實際值。
（3）光伏電池組件在室內(nèi)、外的開路電壓是有明顯的差異，表明光伏電池組件在較強(qiáng)的光照度下，能夠提供較大的電能。
（4）為了使得光伏電池組件提供較大的電能，方法之一是采用光伏電池組件跟蹤光源。
2.2 光伏供電裝置組裝
2.2.1 實訓(xùn)的目的和要求
1. 實訓(xùn)的目的
（1）了解光伏供電裝置的組成。
（2）理解水平和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
2. 實訓(xùn)的要求
（1）組裝光伏供電裝置。
（2）根據(jù)光伏供電系統(tǒng)主電路電氣原理圖和接插座圖，將電源線、信號線和控制線接在相應(yīng)的接插座中。
2.2.2 基本原理
光伏供電裝置主要由光伏電池組件、投射燈、光線傳感器、光線傳感器控制盒、擺桿支架、擺桿減速箱、單相交流電動機(jī)、電容器、水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、水平運(yùn)動和俯仰運(yùn)動直流電動機(jī)、接近開關(guān)、微動開關(guān)、底座支架等設(shè)備與器件組成。
1. 水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)
水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)如圖2-4所示，水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)中有兩個減速箱，一個稱為水平方向運(yùn)動減速箱，另一個稱為俯仰方向運(yùn)動減速箱，這兩個減速箱的減速比為1:80，分別由水平運(yùn)動和俯仰運(yùn)動直流電動機(jī)通過傳動鏈條驅(qū)動。光伏電池方陣安裝在水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)上方，如圖2-5所示，當(dāng)水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，帶動光伏電池方陣作水平方向偏轉(zhuǎn)移動和俯仰方向偏轉(zhuǎn)移動。
圖2-4 水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)
圖2-5 光伏電池方陣與水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)
2. 光源移動機(jī)構(gòu)
擺桿支架安裝在擺桿減速箱的輸出軸上，擺桿減速箱的減速比為1:3000，擺桿減速箱由單相交流電動機(jī)驅(qū)動，擺桿支架上方安裝2盞300W的投射燈，組成如圖2-6所示的光源移動機(jī)構(gòu)。當(dāng)交流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，投射燈隨擺桿支架作圓周移動，實現(xiàn)投射燈光源的連續(xù)運(yùn)動。
圖2-6 光源移動機(jī)構(gòu)
3. 光線傳感器
光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央，用于獲取不同位置的投射燈的光照強(qiáng)度，光線傳感器通過光線傳感控制盒，將東、西、北、南方向的投射燈的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號傳輸給光伏供電系統(tǒng)的PLC，由PLC進(jìn)行相應(yīng)的控制。
4. 光伏供電裝置結(jié)構(gòu)
水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、光源移動機(jī)構(gòu)分別安裝在底座支架上，組成光伏供電裝置，圖2-7是光伏供電裝置底座支架示意圖，圖2-8是光伏供電裝置示意圖。圖2-9和圖2-10分別是光伏電池方陣偏轉(zhuǎn)移動示意圖和投射燈光源連續(xù)運(yùn)動示意圖。
圖2-7 光伏供電裝置底座支架示意圖
圖2-8 光伏供電裝置示意圖
圖2-9 光伏電池方陣偏轉(zhuǎn)移動示意圖
圖2-10 投射燈光源連續(xù)運(yùn)動示意圖
5. 接近開關(guān)和微動開關(guān)
水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)中裝有接近開關(guān)和微動開關(guān)，用于提供光伏電池方陣作水平偏轉(zhuǎn)和俯仰偏轉(zhuǎn)的極限位置信號。
與光源移動機(jī)構(gòu)連接的底座支架部分裝有接近開關(guān)和微動開關(guān)，微動開關(guān)用于限位，接近開關(guān)用于提供午日位置信號。
2.2.3 實訓(xùn)內(nèi)容
（1）完成光伏供電裝置的組裝。
（2）整理水平和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、投射燈、單相交流電動機(jī)、接近開關(guān)和微動開關(guān)的電源線、信號線和控制線，根據(jù)CON1～CON7接插座圖，將電源線、信號線和控制線接在相應(yīng)的接插座中。
2.2.4 操作步驟
1. 使用的器材和工具
（1）光伏電池方陣、光線傳感器、光線傳感器控制盒、水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)，數(shù)量：各1個。
（2）擺桿減速箱，減速比1:3000；單相交流電動機(jī)，AC220V/90W；電容器，47μF/450V；擺桿支架，數(shù)量：各1個。
（3）投射燈，300W，數(shù)量：2個。
（4）接近開關(guān)，數(shù)量：2個。
（5）微動開關(guān)，數(shù)量：4個。
（6）底座支架，數(shù)量：1個。
（7）接插座，數(shù)量：7個、
（8）萬用表，數(shù)量：1塊。
（9）電烙鐵，熱風(fēng)槍，數(shù)量：各1把。
（10）螺絲、螺母若干。
（11）連接線、熱縮管若干。
2. 操作步驟
（1）將光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央，然后將光伏電池方陣安裝在水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的支架上，再將光線傳感控制盒裝在底座支架上，要求緊固件不松動。
將水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的兩個直流電動機(jī)分別接+24V電源，光伏電池方陣勻速作水平方向或俯仰方向的偏移運(yùn)動。
（2）將擺桿支架安裝在擺桿減速箱的輸出軸，然后將擺桿減速箱固定在底座支架上，再將2盞投射燈安裝在擺桿支架上方的支架上，要求緊固件不松動。
（3）根據(jù)光伏供電主電路電氣原理圖和接插座圖，焊接水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、單相交流電動機(jī)、電容器、投射燈、光線傳感器、光線傳感控制盒、電容器、接近開關(guān)和微動開關(guān)的引出線，引出線的焊接要光滑、可靠，焊接端口使用熱縮管絕緣。
（4）整理上述焊接好的引出線，將電源線、信號線和控制線接在相應(yīng)的接插座中，接插座端的引出線使用管型端子和接線標(biāo)號。
2.2.5 小結(jié)
（1）光伏供電裝置是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的基本裝置，該裝置有幾個重要組成部分：光源移動機(jī)構(gòu)、光線傳感器和光線傳感器控制盒、水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
光源移動機(jī)構(gòu)的功能是使光源連續(xù)移動，模擬日光的運(yùn)動軌跡。光線傳感器采集光源的光強(qiáng)度，通過光線傳感器控制盒將不同位置的光強(qiáng)信號傳輸給光伏供電系統(tǒng)。光伏供電系統(tǒng)中的PLC接受光強(qiáng)信號后，控制水平方向和俯仰方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得光伏電池方陣對準(zhǔn)光源以獲取最大的光電轉(zhuǎn)換效率。
（2）接近開關(guān)和微動開關(guān)是光伏供電裝置中不可缺少的器件，這些器件用于確定光源移動機(jī)構(gòu)和光伏電池方陣在移動中的位置，起到定位和保護(hù)作用。
（3）光伏供電裝置各部分的動作是由光伏供電系統(tǒng)來控制完成。