TW-SNY05型光伏發電實訓係統

一、設備組成

TW-SNY05型光伏發電實訓係統主要由光伏供電裝置、光伏供電係統、逆變與負載係統、監控係統四個部分組成，如圖1所示。

1、設備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm

實訓櫃1000×1000×2000mm

2、場地麵積：12平方米

二、各單元介紹

1、 光伏供電裝置

（1）、光伏供電裝置的組成

光伏供電裝置主要由光伏電池組件、投射燈、光線傳感器、光線傳感器控製盒、水平方向和俯仰方向運動機構、擺杆、擺杆減速箱、擺杆支架、單相交流電動機、電容器、直流電動機、接近開關、微動開關、底座支架等設備與器件組成，如下圖所示。

圖2  光伏供電裝置

4塊光伏電池組件並聯組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央。2盞300W的投射燈安裝在擺杆支架上，擺杆底端與減速箱輸出端連接，減速箱輸入端連接單相交流電動機。電動機旋轉時，通過減速箱驅動擺杆作圓周擺動。擺杆底端與底座支架連接部分安裝了接近開關和微動開關，用於擺杆位置的限位和保護。水平和俯仰方向運動機構由水平運動減速箱、俯仰運動減速箱、直流電動機、接近開關和微動開關組成。直流電動機旋轉時，水平運動減速箱驅動光伏電池方陣作向東方向或向西方向的水平移動、俯仰運動減速箱驅動光伏電池方陣作向北方向或向南方向的俯仰移動，接近開關和微動開關用於光伏電池方陣位置的限位和保護。

2、光伏供電係統

(1)、光伏供電係統的組成

光伏供電係統主要由光伏電源控製單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控製單元、ARM控製單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調電阻、斷路器、12V開關電源、網孔架等組成。

（2）、控製方式

光伏電源控製單元主要由斷路器、+24V開關電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子DT1和DT2等組成。

光伏輸出顯示單元主要由直流電流表、直流電壓表、接線端子DT3和DT4等組成。

光伏供電控製單元主要由選擇開關、急停按鈕、帶燈按鈕、接線端子DT5、DT6和DT7等組成。

（3）充、放電控製單元和接口單元

蓄電池的充電過程及充電保護由ARM控製單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由ARM控製單元、接口單元及繼電器完成，當蓄電池放電電壓低於規定值，ARM控製單元輸出信號驅動繼電器工作，繼電器常閉觸點斷開，切斷蓄電池的放電回路。

該單元設置有一套蓄電池充、放電管理及模擬係統，正常使用時按照設置參數對蓄電池進行充電和放電，無需要人工幹預；模擬操作時，蓄電池和光電池各工作點需要手動設置，每設置完畢一種工作模式後可在軟件界麵觀察充電及放電的運行過程，以實現光伏充、放電模擬仿真實驗的目的。

★  控製器基本原理介紹（多媒體展示）

主要作用：

在小型光伏係統中，用來保護蓄電池；在大中型係統中，起平衡光伏係統能量、保護蓄電池及整個係統正常運行等；

光伏控製器應具有以下功能：

①防止蓄電池過充電和過放電，延長蓄電池壽命；

②防止太陽能電池板或電池方陣、蓄電池極性接反；

③防止負載、控製器、逆變器和其他設備內 部短路；

④具有防雷擊引起的擊穿保護；

⑤具有溫度補償的功能

⑥顯示光伏發電係統的 各種工作狀態，包括：蓄電池（組）電壓、負載狀態、電池方陣工作狀態、輔助電源狀態、 環境溫度狀態、故障報警等。

光伏控製器按電路方式的不同，可分為並聯型、串聯型、脈寬調製型、多路控製型等；

按組件輸入功率分：小功率型、 中功率型、大功率型及專用控製器（如草坪燈控製器）等；

光伏控製電路的基本工作原理圖：

1）並聯型控製器：也叫旁路型控製器，它是利用並聯在太陽能電池兩端的機械或電子開關器 件控製充電過程。一般用於小型、小功率係統。

2）串聯型控製器：是利用串聯在充電回路中的機械或電子開關器件控製充電過程。

控製器的檢測控製電路：

是蓄電池過欠電壓的檢測控製電路，主要是對蓄電池的電壓隨時進行取樣檢測，並根據檢測結果向過充電、過放電開關器件發出 接通或關斷的控製信號。

3）脈寬調製（ PWM：Pulse Width Modulation）型控製器：以脈衝方式開關光伏組件 的輸入，充電過程能形成較完整的充電狀態, 其平均充電電流的瞬時變化更符合蓄電池當前的充電狀況，能夠增加光伏係統的充電效率並 延長蓄電池的總循環壽命。

5）智能型控製器：采用CPU或MCU等微處理器進行控製。除了具有過充電、過放電、短路、過載、.防反接等保護功能外，還利用蓄電池放電率高準確性的進行放電控製。並具有高精度的溫度補償功能。

6）最大功率點跟蹤型控製器：使太陽能電池方陣始終保持在最大功率點狀態，以充分利用太陽能電池 方陣的輸出能量。采用PWM調製方式，使充電電流成為脈衝電流，以減少蓄電池的 極化，提高充電效率。

（4）、蓄電池組

蓄電池組選用2節閥控密封式鉛酸蓄電池

容量： 12V 18Ah/20HR

重量： 1.9kg

尺寸： 175mm×170mm×75mm（單節）

3、逆變與負載係統

（1）、逆變與負載係統的組成

逆變與負載係統主要由逆變電源控製單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數檢測模塊、變頻器、三相交流電機、發光管舞台燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網孔架等組成。

①逆變電源控製單元

逆變電源控製單元主要由斷路器、+24V開關電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子DT14和DT15等組成。

②逆變輸出顯示單元

逆變輸出顯示單元主要由交流電流表、交流電壓表、接線端子DT16和DT17等組成。

（2）、逆變器

逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過程不盡相同。本實訓裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控製芯片單元、驅動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅動芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。

逆變的工作過程是將蓄電池的12V直流電通過DC-DC和DC-AC變換，轉變成正弦波220/50Hz的純正弦波交流電。

逆變器多媒體教學展示

逆變器是通過半導體功率開關的開通和關斷作用，把直流電能轉變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程。

逆變概念

逆變——與整流相對應，直流電變成交流電。

交流側接電網，為有源逆變；

交流側接負載，為無源逆變；

逆變電路的基本工作原理

單相橋式逆變電路為例

S1～S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；

S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負。把直流電變成了交流電。

改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率；

電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同；

阻感負載時，io相位滯後於uo，波形也不同（圖5-1b）

t1前：S1、S4通，uo和io均為正；

t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向；

io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之後io才反向並增大。

逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種

電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路

電流型逆變電路或電流源型逆變電路

電壓型逆變電路的特點：

(1)  直流側為電壓源或並聯大電容，直流側電壓基本無脈動；

(2)  輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；

(3)  阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂並聯反饋二極管。

電路結構及工作情況

兩個半橋電路的組合；

1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°；

uo波形同圖5-6b半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；

io波形和圖5-6b中的io相同，幅值增加一倍；

單相逆變電路中應用最多的；

輸出電壓定量分析

uo成傅裏葉級數

基波幅值

基波有效值

當uo為正負各180°時，要改變輸出電壓有效值隻能改變Ud來實現

移相調壓

可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓

各柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關係不變

但V3的基極信號隻比V1落後q  ( 0

uo成為正負各為q  的脈衝，改變q 即可調節輸出電壓有效值

單相全橋逆變電路的移相調壓方式

三相電壓型逆變電路

三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路

應用最廣的是三相橋式逆變電路

可看成由三個半橋逆變電路組成

180°導電方式

每橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 °

任一瞬間有三個橋臂同時導通

每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流

4、監控係統

（1）、監控係統組成

監控係統主要由一體機、鍵盤、鼠標、接線排、電源插座、通信線、微軟操作係統軟件、力控組態軟件組成。

（2）、監控係統功能

1）通信

監控係統與控製器、PLC、儀表進行通信。

2）界麵

①監控係統具有主界麵，光伏供電係統界麵，逆變與負載係統界麵，光伏能量轉換界麵，分別顯示各自的運行狀態參數。

②光伏供電係統界麵設置相應的按鈕，實現光伏電池方陣自動跟蹤。

③具有光伏發電采集報表，記錄光伏輸出電壓、電流；逆變與負載係統的逆變輸出電壓、電流、功率等數據並打印數據報表。

3）智慧教室綜合測控係統

該係統采用一體化設計，要求以上功能集中在一塊核心控製器上，禁止采用多種模塊拚裝，確保使用人員的人身安全及設備安全的性能指標：

（一）、虛擬示波器所需實現的功能：

50MHz   2路波形測量功能；

（二）2路邏輯分析儀功能；

（三）1路任意波形信號發生器輸出；

200MSa/s高速實時采樣，50MHz帶寬，波形測量完全滿足教學實驗要求，波形平滑不失真。

（四）2路PWM脈衝信號發生器：可設置頻率、占空比。

（五）、萬用表功能

1、萬用表的電阻測量功能；

2、萬用表的直流電壓測量功能；

3、萬用表的交流電壓測量功能；

4、萬用表的交流電流測量功能；

（六）、人機界麵功能

*1、人機界麵顯示所測量的波形，並顯示相應的量測值；

*2、可通過點擊界麵按鈕，將所測量的波形插入實驗報告模板中；

*3、學生的實驗報告結果可通過點擊界麵按鈕，統一上傳到指定的教師電腦文件夾下；

（七）、實驗室安全監控功能

1、環境參數測量：可同時測量顯示溫濕度、CO2濃度和PM2.5；

2、電氣參數測量：可測量控製台電壓電流，並計算出功率；

3、過流、過壓、欠壓（閥值可設置）報警跳閘保護；

4、安全防護：實驗室環境安全監控裝置（PM2.5、煙霧、可燃氣體、溫濕度及CO2濃度異常（火警）報警）；

5、節電功能：長期無人實驗時，自動關閉總閘開關，實現安全和節電效果；

★4）新能源教學係統仿真軟件

* 一、軟件概述

1、通過該軟件可以係統性學習太陽能光伏矽材料、電池片、光伏組件、光伏組件附屬材料、光伏應用產品等全部係列光伏知識內容。

2、配備文字與動畫展示並介紹從原材料至成品包括中間環節加工工藝等與使用方法。

3、多媒體係統自帶語音講解，圖、文、聲並茂展示講解、與係統所述文字同步播放，幫助教師對光伏發電課程教案的快速編寫，提高學生對新能源專業知識快速掌握和快速學習。

4、軟件組成

(1)太陽能光伏矽材料講解與展示係統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏電池使用的矽材料實物；

2、配備文字與動畫展示各種材料的生產工藝與使用方法

3、目錄（約11課時）

光伏矽產品基本情況介紹

矽單質性質：包括矽的物理性質、化學性質、矽的分類與應用

矽化合物性質：包括二氧化矽、一氧化矽、矽的鹵化物、三氯氫矽、矽烷等

矽的生長原理及定型

矽的提純方法：包括化學提純與物理提純方法

多晶矽的製備及其缺陷和雜質：包括冶金矽級製備、高純多晶矽製備、鑄造多晶矽製備

單晶矽的製備及其缺陷和雜質：包括單晶矽生長、單晶矽的雜質與缺陷

單晶矽與多晶矽加工方法

矽薄膜材料：包括非晶矽薄膜材料、多晶矽薄膜材料

矽材料的測試與分析方法：包括導電型號測量、電阻率測量、少子壽命測量、霍爾係數的測定、遷移率的測量、化學性能分析、晶體結構分析等

矽材料測試與分析依據標準（GB標準、UL標準、IEC標準、SEMI標準）

(2)太陽能光伏電池片講解與展示係統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏電池片；

2、配備文字與動畫展示各種電池片的生產工藝與使用方法

3、目錄（約9課時）

太陽能電池片基本情況介紹

太陽能電池片基本結構分析

太陽能電池片分類

晶體矽太陽能電池片生產工藝：包括生產方法與生產設備介紹

晶體矽太陽能電池片生產主要原材料

太陽能電池片測試技術與方法：包括測試方法與測試設備介紹

太陽能電池片測試依據標準

(3)太陽能光伏組件講解與展示係統

1、可以展示各種太陽能光伏光伏組件；

2、配備文字與動畫展示各種光伏組件的生產工藝與使用方法

3、目錄（約10課時）

太陽能電池組件基本介紹

太陽能電池組件的分類及各種組件的優缺點

太陽能電池組件的生產工藝介紹及相關設備

太陽電池組件的評定標準

太陽能電池組件的測試方法與測試設備

太陽能電池組件的發展方向

(4)太陽能光伏組件附屬材料講解與展示係統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏光伏組件附屬材料；

2、配備文字與動畫展示各種光伏組件附屬材料的生產工藝與使用方法

3、目錄（約7課時）

太陽能組件附屬設施情況介紹

太陽能組件對鋼化玻璃的具體要求

太陽能組件對支架鋁型材的具體要求

太陽能組件對EVA封膠的具體要求

太陽能組件對TPT背板的具體要求

太陽能組件附屬設施檢測方法

太陽能組件附屬設施測試標準

* 二、展示與講解內容目錄（圖、文、聲並茂）

2.1 太陽能光伏應用產品講解與展示係統（約5課時）

2.1.1 太陽能發電係統：

2.1.2 家用太陽能發電機直流係統多媒體電視機

2.1.3 太陽能便攜電源：

2.1.4 太陽能殺蟲燈

2.1.5 太陽能警示燈

2.1.6 太陽能野營燈

2.2 太陽能光伏發電基本原理

2.3 太陽能光伏發電係統組成部分介紹

2.4 太陽能光伏發電係統設計方法

2.5 太陽能光伏電站施工建設方法

2.5.1、項目前期考察

2.5.2、項目建設前期資料及批複文件

第一階段：可研階段

第二階段：獲得省級/市級相關部門的批複文件

第三階段：獲得開工許可

2.5.3、項目施工圖設計

2.5.4、項目實施建設

2.5.5、帶電前的必備條件

2.6太陽能光伏並網電站介紹

2.6.1、光伏並網電站簡要描述

2.6.2、光伏並網電站設備組成

2.6.2、光伏並網電站設備功能

2.7 家用型太陽能電站建設方案

2.7.1、項目概述

2.7.2、方案設計 （附詳細方案設計）

（一）用戶負載信息

（二）係統方案設計

（三）效益計算：

2.8 逆變器基本原理介紹

2.9 控製器基本原理介紹

三、主要實驗實訓內容

實驗實訓內容涉及光伏供電裝置、光伏供電係統、逆變與負載係統、監控係統的安裝、接線、調試和分析：

1）、光伏供電裝置的安裝與接線；

2）、光伏供電係統部分器件的安裝、接線與調試；

3）、光伏電池方陣輸出特性測試；

4）、蓄電池組充放電參數的測試；

5）、逆變與負載係統部分器件的安裝、接線與調試；

6）、逆變器相關參數測試、逆變器輸出參數測試；

7）、逆變器相關數據的下載設置與測試；

8）、相關電路模塊的焊接；

9）、監控係統與各單元的通信；

10）、監控係統組態界麵的操作；

四、 主要技術參數

一、光伏供電裝置
序號	名稱	技術參數	數量
1	電池組件	功率：20W 誤差：±5% 輸出電壓：17.2V 輸出電流：1.17A 開路電壓：21.4V 短路電流：1.27A 工作環境溫度：45℃±2℃ 尺寸：430×430×28mm	4
2	追日傳感器	輸出電壓：0-5V 跟蹤精度：1度 結構：4電橋	1
3	投射燈	擺臂機構：渦輪蝸杆結構（2個減速箱） 電壓：220V 頻率：50Hz 電流：1.36A 功率：300W	2
4	追日機構	結構：渦輪蝸杆結構（減速箱） 驅動：直流電機 軸數：雙軸二維	1
二、光伏供電係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	電源控製單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈、電源插座	1
2	光伏控製電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	1
3	觸摸屏	7",彩色	1
4	充、放電控製器	核心板，接口底板，信號處理板	1
5	直流輸入單元	電流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A 電壓表：PZ195U-AK1G，DC 0-500V 接口：RS485	1

5	直流輸入單元	電流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A 電壓表：PZ195U-AK1G，DC 0-500V 接口：RS485	1
6	光伏供電控製單元	電池板跟蹤方向：東、南、西、北 投光燈控製：燈1、燈2 投光燈運動方向：東西、西東、停止 自動控製：啟動、急停	1
8	PLC	S7-200 CPU226	1
9	可調電阻	範圍：0-1000Ω，無級可調（有刻度）	1
三、逆變與負載係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	逆變輸出顯示單元	電流表：AC 0-5A 電壓表：AC 0-500V 接口：RS485	1
2	逆變控製電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	1
3	逆變裝置	輸入電壓：DC12V 輸入電壓範圍：DC9.5V-15.5V 輸出電壓：AC180~220V可調±5% 額定輸出電流：1.4A 輸出頻率：50Hz~60Hz可調±0.5Hz 額定功率：300VA 輸出波形：正弦波 波形失真：＜5% 轉換效率：＞85%	1
4	開關電源	型號：DR-120-24 輸入電壓：AC 220V 輸出電壓：DC 24V 輸出電流：5A	1
5	變頻器	FR-D720S-0.4K-CHT	1
6	電機負載	功率：20W 電壓：AC220V 轉速：1300rpm	1
7	模擬舞台燈光負載	二極管字樣為“KNT”的發光模塊	1
8	閥控密封式鉛酸蓄電池	容量   12V 18Ah/20HR 重量   1.9kg 尺寸   345mm×195mm×20mm	2
四、監控係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	工控機	5個串口，含鍵盤鼠標	1
2	組態軟件	力控6.1	1
五、實驗台
序號	名稱	技術參數	數量

1	網孔板	豎式網孔板基本結構：下方為工具箱+4個輪子，上方為豎式網孔板 尺寸：800(長)×600（寬×2000(高) 外框架構成：鋁合金型材； 內嵌噴塑鋼板 鋼板尺寸：1200mm×820mm 鋼板厚度：2mm 鋼板孔規格：上方孔尺寸6×10mm，孔左右間距為6mm，上下間距為6mm且錯位8mm； 網孔板配有推拉式抽屜，抽屜采用型材外框、2mm鋼板底部； 網孔架底部裝有滑輪。	3合1
2	微軟操作係統軟件	Window XP	1
3	通訊電纜	0.3mm²雙芯屏蔽線	1
4	實驗指導書	光伏發電設備實訓指導書	1