浅析提高太阳能光伏电站建设实训效率的教学方法

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【摘 要】在太阳能光伏发电实训过程中，为了在有限的时间内快速提升学生的综合能力，掌握光伏组件、蓄电池、控制器、逆变器等重要设备的设计和安装，根据实践教学发现，在实训过程中采用任务驱动的模式效果比较理想。

【关键词】光伏组件；蓄电池；控制器；逆变器

太阳能光伏发电技术在现代人类生活中被广泛运用，太阳能路灯，太阳能热水器，卫星太阳能电池板，太阳能汽车等产品早已深入到人们的生活中。我国的光伏产业作为一种新兴的高科技产业，它对人才的需求，相比其它传统的行业，尤其显得更加的迫切。因此，要求教师把理论教学和实践教学有机结合起来，将技能教学活动内容与我们生活中的需求结合起来，从而不断满足和解决人们对太阳能产品的生活需求。

在光伏发电实训过程中，为了在有限的时间内快速提升学生的综合能力，掌握光伏组件的选择及安装、蓄电池的选择及安装、控制器的选择及安装、逆变器的选择及安装、汇流箱的布置、防雷等重要项目的设计和安装，根据实践教学发现，在实训过程中采用任务驱动的模式效果比较理想。

以乐山职业技术学院（纬度：29.65，经度：103.74）楼顶光伏电站设计安装实训为例。实训时假设负载如下：6个直流负载（如手机、笔记本、LED灯），每个的工作电压为24V，功率每个为20W，每天每个负载工作时间3h；交流负载为二间教室的负载（如节能灯、电视、电风扇），共10个，每个负载假定额定电压为交流220V，功率为20W，采用输入电压为24V的逆变器，逆变效率为90%，每天每个负载工作时间为4小时。当地最长连续阴雨天为4天，太阳能电池选用某公司的组件TSM80D-12V，其基本参数为：开路电压21.6V，短路电流4.88A，峰值电压：18V，峰值电流4.44A，峰值功率80W，组件尺寸：1200*540*30MM。能提供的蓄电池为铅酸免维护蓄电池，浮充电压为12V±1V，容量为1001A・h。要求学生根据以上条件设计安装一套太阳电池的供电系统。为此，学生需要做好以下几个方面的设计工作：

1 收集当地有关的气象资料

例如，通过查询美国太空总署NASA 全球辐照数的方法进行气象数据的收集。

第一步：输入网址http：//eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi？email=；第二步：输入项目安装地的经纬度 经纬度数值精确到小数点后两位；第三步：筛选主要参数，显示22年内的平均结果如表1。

2 计算负载的大小

每天的耗电量：交流日负载=10*20*4=800Wh由于采用输入电压为24V的逆变器，逆变效率为90%，因此以A・h安时数表示的直流日负载为=800÷24÷90%=371A・h Q=ΣA・h=6*（20*3/24）+37=15+37=52（A・h）。

3 选择蓄电池的容量（假设放电深度α=75%）

C=自给天数X日平均负载/（最大允许放电深度X温度修正因子）=4XQ/（α*η）=4*52/（75%*1）=277A・h（其中4为最大连续阴雨天数，乐山职业技术学院当地冬季气温很少低于0°C，温度修正因子可取1），根据提供的蓄电池规格，串联蓄电池数=负载标称电压/蓄电池标称电压=24/12=2（串），并联蓄电池数=系统蓄电池总容量/所选单个蓄电池的容量=277/100=2.77≈3（并），所以该光伏系统需要使用12V/100A・h的蓄电池个数为：2串*3并=6个。

4 决定方阵倾角

因乐山职业技术学院的当地纬度为Φ=29.65°，取β=Φ+10.35=40°（在这里，我们采用一种较近似的方法来确定方阵倾角。一般的方法是，在我国南方地区，方阵倾角可以比当地的纬度多10°～15°，在我国北方地区，方阵倾角可以比当地的纬度多5°～10°，纬度较大时，增加角度可小一些，同时为便于安装，常取整数。）

5 估算太阳电池方阵的输出电流

根据前文一中的气象数据，将22年内的平均日太阳直接辐射量代入公式，先求出平均日照时数：T=（HTWh/m2）÷1000W/m2=3.10kWh/m2/day÷1000W/m2=3.10（h/day）取蓄电池的充电效率为：η1=85%，方阵表面上的灰尘遮挡损耗为η2=0.9，算出方阵应该输出的电流为：

I=Q/（Tη1η2）=52A・h/（3.10hX0.85X0.9）=21.93A

6 决定方阵工作电压

由于太阳能电池选用某公司的组件TSM80D-12V，其基本参数为：开路电压21.6V，短路电流4.88A，峰值电压：18V，峰值电流4.44A，峰值功率80W。因此，为满足能提供24V的蓄电池工作电压，加上线路的损耗，所需峰值电压为18V的TSM80D-12V的组件的串联数=24/12=2（串）。

7 确定光伏组件的功率

设太阳电池组件的最高温度为70°C，α为太阳电池功率的温度系数，对硅太阳电池，α一般取0.5%，tmax为组件最高的工作温度。根据公式，可计算出方阵所需要输出的功率为：P=IXV/[1-α（tmax-25）]=21.93*24/[1-0.5%（70-25）]=526.32/0.775=679W由于每块组件的峰值功率为80W，所需要的组件数=679/80=8.5，按照取整数与对称的设计原则，最后确定使用10块TSM80D-12V的组件。其并联数=总数/串联数=10/2=5（并）。至此，要求学生画出光伏发电系统安装示意图如图1。

8 太阳电池阵列的基础部分设计

由于乐山职业技术学院光伏电站的设计安装实训位置在楼顶，场地相对比较坚硬、开阔和平坦，符合光伏系统的基础建设要求。实训中提供的电源馈线绝缘程度好，穿管敷设容易，维修和更新的材料都很方便。

9 方阵支架的设计安装

方阵输出的电能和方阵接受的太阳光能成正比关系，一般要求方阵朝向正南方，且有一定的倾角（通过前面的计算，β=Φ+10.35=40°）。这样可以保证方阵平面有较长时间受到太阳光的直接照射。在前文，我们已经计算出需要使用10块TSM80D-12V的组件来进行2串5并才能满足负荷的电能需求。结合组件尺寸：1200*540*30MM。10个组件的表面积为：10*1200*540=6480000MM2=6.48M2。切割支架时，还应增加角码等附件的尺寸。方阵的基座设计和方阵的机架设计方式有不可分割的关系。基座的结构和尺寸还应考虑到安装维护、抗风等因素。

10 电池方阵的安装测试

光伏组件安装时一般要求横向距离为20MM，纵向距离也为20MM。光伏组件搬运时必须不低于两人搬运，防止磕碰刮伤。光伏组件与支架钢材接触面接触不吻合时，应用金属片调整垫平，方可紧固，严禁强行压紧。方阵布线应选用不同颜色的导线作为正极（红）、负极（蓝或黑）。组件接口处的连接线应向下弯曲，防止雨水浸入接线盒。最后还应对方阵进行测试，测试环境为天气晴朗，太阳周围无云。测试出的绝缘电阻不低于50MΩ，I-V曲线和P-V曲线都要符合要求。

11 蓄电池的安装测试

若按前文算出的光伏系统需要使用12V/100A・h的蓄电池个数为：2串X3并=6个。蓄电池在安装连接前应先用干净的麻布擦去电池极柱及外壳和钢架上的灰尘，尤其要保证极柱上的灰尘擦干净。单体编号要贴牢。安装后要逐个检查所有螺钉是否拧紧，安装检查结束后，测量并记录所有电池单体的开路电压和电池组的总电压。

最后还需要进行防雷接地的保护设计、接入汇流箱等步骤。由于控制器的接线和逆变器的接线相对简单，学生一看说明很快就会操作，在实训中，重点需要让学生学会怎样选购控制器和逆变器：比如，选购的控制器应具有防止蓄电池过充和过放的基本功能、提供负荷控制、显示、防雷、防反接等功能；逆变器逆变效率高、输出电压稳定、启动能力好，波形失真度小等多方面进行性价比较。

总之，通过采用以上光伏发电项目的实训方式2-3次，可以在短期内让学生对整个光伏发电系统有一个比较全面的认识，加深其对基础理论知识的理解。能让学生的理论和实践真正有机结合起来，加深对专业知识的理解和应用。

【参考文献】

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[2]罗玉峰.太阳能光伏发电技术[M].江西高校出版社，2011，08.

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