风光互补发电性能测试实验

在目前利用的诸多新能源中，太阳能与风能处于特别引人注目的地位。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广。目前，太阳能发电的主要方式之一是光电直接转换，可获取较大的太阳能发电效率。

风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，由于它造价相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选。经过多年研究和实践，目前已实现一种成熟的新型应用方式，风光互补系统向社会推广。

在我国很多地区约，太阳能与风能具有一定的互补特性，即两者在上下两个半年中在变化趋势上呈现完全相反的特性，这种特性为太阳能与风能的互补联合发电提供了可能，与风力发电机或太阳光伏电池单独发电系统相比，互补发电系统的供电质量有较大提高，而系统的重复投资则有所下降。

风光互补发电系统是由风力发电机组配合光伏电池组件组成，通过专用的控制逆变器，将风力发电机输出的低压交流电整流成直流电，并与光伏电池组件输出的直流电汇集在一起，充入蓄电池组，实现稳压、蓄能和逆变全过程，为用户提供稳定的交流电源。风光互补供电产品具备了太阳能产品和风能产品的双重优点，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性，采撷世界上最为充足的两种自然能源作为互补式供电系统，使供电系统更具安全性、保障性、可靠性。

实验目的

⒈  掌握太阳能光伏、风能发电的工作原理

⒉  熟悉和掌握太阳能光伏、风能发电实验系统的结构、相关仪器及使用特点；

⒊  了解和掌握各参数对风光互补发电实验系统工作性能的影响

实验原理

     “风光互补发电实验系统”是一个集太阳能光伏发电原理、太阳能跟踪原理、风力发电原理、风力机偏航控制原理、交流逆变原理、各种传感器原理、太阳能与风力发电互补特性测试以及最大功率输出优化控制的实验系统，通过它可为太阳能电池与风力发电的工作原理、控制器的工作原理、正弦波逆变器的工作原理、各种传感器原理、太阳能与风力发电互补特性测试以及最大功率输出优化控制的教学、实验、演示和培训提供一个先进实用的平台。

设备主要包括太阳能电池组件、模拟光源、太阳能发电控制器、太阳能跟踪系统控制器、风力发电机组、模拟风源、风力发电控制器、风力机偏航控制器、交流逆变控制器、蓄电池组、不同负载以及风光互补发电演示系统，见下图。

主要工作流程是一路先由模拟光源（或太阳光）照射太阳能电池组件，将太阳能转换为低压直流电能，再通过太阳能发电控制器可以对直流负载供电，可以对12V蓄电池组充电，并供电给LED驱动电路获得稳压电流或电压，点亮LED，可以给对交流逆变控制器供电。太阳能跟踪系统控制器则是将跟踪模拟光源（或太阳光）最大辐射方向，控制太阳能跟踪执行系统电极，获得最佳辐射接收位置。另一路先由模拟风源（或自然风）启动风力发电机组并运行，将风能转换为低压直流电能，再通过风力发电控制器可以对直流负载供电，可以对12V蓄电池组充电，并供电给LED驱动电路获得稳压电流或电压，点亮LED，可以给对交流逆变控制器供电。交流逆变控制器将12V直流电逆变为220V正弦交流电，供给交流负载使用。本系统中太阳能发电与风力发电功率通过互补控制系统实现风光发电互补，也可以单独运行太阳能发电系统和风力发电系统。

“风光互补发电实验系统”由三个模块组成：第一个模块为太阳能发电及控制系统：主要包括太阳能电池组件、模拟光源、太阳能发电控制器、太阳能跟踪系统控制器；第二个模块为风力发电及控制系统：主要包括风力发电机组、模拟风源、风力发电控制器、风力机偏航控制器；第三个模块为蓄电、逆变、负载系统：主要包括蓄电池组、交流逆变控制器、直交流负载以及风光互补发电演示系统输出控制、LED驱动照明系统。

系统的三种工作情况

1、太阳能发电子系统：由于太阳能发电的输出与太阳光的强度和入射角度有关，所以在其控制系统中监测、跟踪系统是完全必要的，同时在直流系统中采用蓄电池来稳定电压也是必要的。

2、风力发电子系统：由于风力发电的输出与风速和风向有关，所以在其控制系统中监测、跟踪风速及风向系统是完全必要的，同时在直流系统中采用蓄电池来稳定电压也是必要的。

3、风光互补发电系统：通过互补控制系统，寻找发电最大功率点调整太阳能与风力发电的互补比例，整个系统同时启动太阳能与风力发电子系统，监测所有发电线路各测点，完成蓄电、逆变、负载特性的测试。提高内网的稳定性，发挥本系统的最大效益。

实验装置

    1、太阳能电池组件

太阳能电池组件由多个单晶、多晶或非晶电池单元串、并联并经封装后制成。其工作原理是利用光伏效应把太阳光转换为一定的电压、电流输出，并按照需求串、并联而将太阳能转换成电能输出，经电缆送至太阳能发电控制器。

2、太阳能发电控制器

太阳能发电控制器的工作原理是对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载对电源的需求控制太阳能电池和蓄电池对负载的电能输出。控制器是对自动充电、用电的监控装置，当蓄电池充满电时，它会自动切断充电回路，使蓄电池不至过充；如果蓄电池电能减少，它会自动恢复充电。当蓄电池放电超过规定值时，即过放电时，它会自动切断放电回路，不至使蓄电池放电过深；电能增加后，它会自动恢复供电。

可以直接对直流负载进行供电，并同时为交流逆变控制器供电。

3、太阳能跟踪系统控制器

太阳能跟踪系统控制器的工作原理是实现设备能根据阳光照射的情况自动形成适合的角度，主要包含光度感应器、执行机构。

4、风力发电机组

风力发电机组由多个风力机按照风力分布特点联合而成，风力发电机主要包括风力叶片、直流发电机。其工作原理是利用风力叶片把风能转变为机械能，再通过直流发电机把机械能转换为电能，获得一定的直流电压输出，经电缆送至太风力发电控制器。

5、风力发电控制器

风力发电控制器的工作原理是对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载对电源的需求控制太阳能电池和蓄电池对负载的电能输出。控制器是对自动充电、用电的监控装置，当蓄电池充满电时，它会自动切断充电回路，使蓄电池不至过充；如果蓄电池电能减少，它会自动恢复充电。当蓄电池放电超过规定值时，即过放电时，它会自动切断放电回路，不至使蓄电池放电过深；电能增加后，它会自动恢复供电。

可以直接对直流负载进行供电，并同时为交流逆变控制器供电。

6、交流逆变控制器

交流逆变控制器的工作原理是将太阳能电池组件和风力发电机组产生的直流电或者蓄电池组释放的12V直流电转化为负载需要的220V正弦交流电。

7、蓄电池

蓄电池的工作原理是将太阳能电池组件产生的电能储存起来。当光照不足或晚上，或者负载需求大于太阳能电池组件所产生的电能时，将存储的电能释放出来以满足负载的能量需求。

蓄电池组可直接为直流负载供电，如LED驱动电路，也可以供给太阳能交流逆变控制器。

8、LED驱动电路

LED驱动电路的工作原理将太阳能发电控制器或蓄电池组提供的电源转变为LED的稳定驱动电源，确保LED正常工作。

实验步骤

1、根据实验方案搭建测试系统，进行太阳能光伏电池板的串并联、风力机的串并联线路连接；

2、分别用太阳照度仪、热球风速仪、转速仪、电压表和电流表等仪器测量系统的各项参数；

3、利用LabVIEW编数据采集、处理、显示等程序；

4、改变工况，并多次重复进行测量。

思考题

1、通过实验观察，你认为影响太阳能光伏发电效率的因素究竟有哪些？为提高效率需

做哪些改进？

2、什么是“热斑效应”和“塔影效应”， 实验中应如何避免？