專利名稱：一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及教學試驗器具領域，尤其涉及一套新型多功能光伏發電系統教學實驗
T D ο
背景技術：
當前，全球范圍內能源環境正面臨巨大危機。石油儲量、煤儲量均在減少，環境污染日趨嚴重，生態平衡嚴重破壞，對新能源的應用正受到世界各國的普遍關注。新能源發電主要包括了太陽能發電，風能發電，生物質能發電等。其中，太陽能發電因具有儲量巨大、不會枯竭、清潔環保、不受地域限制及維護方便等諸多優點而得到廣泛范圍。目前，我國正把大力開發利用新能源及可再生能源作為優化我國能源結構、保障我國能源安全的戰略新高然而，當前總體上我國的新能源技術的發展仍處于初級階段，在新能源產業蓬勃發展的大形勢下，卻面臨著新能源技術方面專業人才短缺的現象，這種狀況將嚴重制約中國新能源產業的發展。與之對應的，各高校所開展的新能源技術課程才剛剛起步，教學模式還不成熟，配套的專業教材與專業設備，實驗儀器都處于良莠不齊，亟待規劃和有效開發中。目前，針對新能源發電技術的配套教學設備數量有限，功能比較單一，甚至華而不實，不能積極有效地起到輔助教學，加深理解的作用，嚴重影響著新能源方面人才的培養。

發明內容
本發明提供一種太陽能發電原理、太陽能發電與蓄電池充放電、光伏并網逆變、離網逆變、直流供電等新能源發電有關技術的學習，模塊化的解決方案的教學實驗平臺。本發明的技術方案是一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，包括實驗操作面板和發電設備；所述實驗操作面板上繪制有光伏發電系統的電路連接圖；所述發電設備包括模擬太陽光源、自動追日跟蹤的太陽能電池陣列、太陽能充放電控制器、并網逆變器、離網逆變器和蓄電池，所述發電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖電連接，其連接關系為所述太陽能電池陣列分別接入所述太陽能控制器和并網逆變器輸入端，所述離網逆變器并聯到所述太陽能控制器的輸出端，所述蓄電池經防反二極管與所述太陽能型控制器連接；所述離網逆變器與并網逆變器輸出端分別與交流輸出接口相連；直流輸出接口并聯接入所述太陽能型控制器的輸出端；所述模擬太陽光源用于產生模擬太陽光。所述實驗操作面板上設有多個電壓表和電流表，用于檢測所述太陽能型控制器輸入端和輸出端的電流和電壓。所述實驗操作面板上連接線路上設有斷路器，用于控制電路通斷。所述實驗操作面板上連接線路上設有指示燈，用于顯示電路通斷。進一步，還包括多路電壓電流數據采集卡、計算機和顯示器，所述采集卡采集所述太陽能控制器輸入端和輸出端的電流和電壓數據傳輸到所述計算機，所述顯示器顯示所述電流和電壓數據。
本發明的有益效果是
1.整套系統涵蓋了目前太陽能發電技術幾乎所有的用電方式，采用實驗操作面板，結合斷路器和指示燈，直觀展現了本光伏發電系統的基本組成和功能特色，且方便學生接線與實驗操作；
2.專門設有防反二極管的蓄電池充放電分路設計及相關保護功能。采用專用太陽能型充放電控制器對其進行充放電控制，與太陽能電池板發電形成聯合供電系統，提供給下一級直流負載或者為離網逆變提供直流電源；
5.獨立的離網逆變器模塊，實現太陽能光伏系統及蓄電池聯合供電的離網逆變過程， 為交流負載提供標準的220V交流電；
6.獨立的并網逆變器模塊，實現太陽能發電系統的并網逆變過程，將產生與公用電網同頻同相的交流電直接輸送至市電(電網)；
7.設計有獨立的數據采集模塊，方便實時的監測與存儲功能，提供高精度的數據存儲和圖形顯示，并可生成數據存儲文件，對數據進行后期處理，完成數據存儲、打印、顯示等功倉泛。


附圖I為本發明的系統平臺功能原理附圖2為本發明的系統平臺顯示界面面板附圖3為本發明的系統平臺實驗操作面板附圖4為本發明的系統平臺機械附圖5為本發明開發的數據采集監控操作和顯示界面。具體實施辦法
以下結合附圖對本發明的系統實驗平臺進行詳細描述。如圖I所示，發電設備包括太陽能電池陣列、支架及其追日控制系統，作為供電單元及研究對象，實現太陽能到電能的轉化以及系統對外界環境下電池板最大功率的跟太陽能型充放電控制器，作為對前路供電的綜合控制單元，具有太陽能電池輸入端口，控制太陽能電池對蓄電池進行智能充電，具有防雷、太陽能防反充、過電壓自動剎車、 蓄電池反接和開路保護等。鉛酸蓄電池及防反二極管，為儲能單元，光源充足時吸收多余的電能，光源較弱時補充不足的能量，并且由二極管控制充放電流向。并網逆變器，電能轉換單元。前級太陽能電池陣列經串并聯連接后，直接輸送至并網逆變器輸入端口，將輸入的直流電壓轉換為市電的220V交流電，并網逆變器以同頻同相純正弦的并網電流輸出，并進行相關保護。離網逆變器，將控制器輸出直流電轉化為220V的交流用電，供給常用的交流負載如風扇，電燈等使用，并提供相關的保護。變送器及數據采集卡，帶USB輸出直接連接至計算機，可以采樣多路電壓與電流 蓄電池電壓與充放電電流、交流負載電壓與電流、直流負載電壓與電流、并網電流與電壓
等ο
液晶顯示計算機，顯示器嵌入在實驗平臺面板上，配合軟件進行顯示。交直流負載，作為本系統的用電負荷，滿足參數條件下可任意選取負載產品。模擬太陽光源，保證室內教學的要求，以及克服室外環境不穩定等不足，模擬太陽能發電的光源效果。其工作流程是，太陽電池光伏陣列接收到光源后產生電能，根據負載參數選擇進行電池板串聯或者并聯連接后輸入到太陽能型控制器中，蓄電池接入太陽能型充放電控制器，由控制器實現對蓄電池的智能充放電，在光源充足時將富足的電能存儲在蓄電池中，在負載功率較大時釋放電能補充發電系統發電功率上的不足。發電系統的電能與蓄電池中儲存的電能通過太陽能控制器輸出，可同時提供兩路用電。一路連接離網逆變器進行離網逆變的工作；另外一路送至直流負載，直接對參數匹配的直流負載進行供電。以上各支路都采用電流電壓表進行面板的指示并且由面板后的變送器將數據信號輸送至數據采集卡，通過 USB接口與軟件進行通信，實現電腦界面上對發電系統的數據監控與存儲。附圖2為本發明的系統平臺顯示界面面板圖，面板最上方為開發的系統名稱，中部整個區域為液晶顯示屏，嵌入在系統的面板上，方便實驗室對軟件界面的觀測，操作等。 左下方開有USB接口，實驗時可以用數據線實現將數據傳送至電腦主機，也可以直接插入存儲設備對數據采集卡上的數據進行直接存儲。附圖3為本發明的系統平臺實驗操作面板，形象的將原理圖中的功能設置和區域劃分展現出來，并且結合實驗平臺的特殊性質設計了實驗連線接口，發電設備經實驗操作面板電連接。其中電壓電流表顯示區I左邊七組為直流的電流電壓表，使得學生在實驗室觀察數據更加直觀，最右邊為一組數字的交流電流電壓表，可對交流的電流、電壓、功率、功率因數有更加精確地顯示；實驗時對于電流表需要進行串聯連接，電壓表進行并聯連接。并網逆變器2和為離網逆變器3模塊同時顯示了內部原理的簡圖，學生在實驗中也可以通過簡圖來了解各模塊的整體工作原理，引發對個模塊的興趣，更深層次挖掘和學習其工作原理。面板的指示區下方左邊為電池板的輸入端，畫有兩塊電池板進行表示，引入四根電池板的導線，實驗時可以根據學生實際的操作進行串聯或者并聯的連接。電能引入后，每一級通路都設有通路指示燈，可以直觀的顯示哪一路正在工作。K1-K7為各路的斷路器，起到保護和開關的作用，其中太陽能電池板、太陽能控制器間，蓄電池分別裝有雙路斷路器，控制電能輸入，可控制斷路器實現太陽能電池單獨供電實驗，蓄電池單獨供電實驗，太陽能電池、 蓄電池同時供電實驗。在蓄電池部分特別設有兩個反向的二極管，控制蓄電池充電與放電具有獨立支路，巧妙的觀測電池兩端的供放電情況。面板右側有三個插座，上方第一個為并網插座，即常規的市電，通過連線逆變支路接口與插座相連，即可實現并網。下方兩個分別為交流負載的供電插座以及直流負載的供電插座。這種設計不拘泥于負載的具體產品，只要在功率允許的范圍內都可以自由選擇，方便學校和學生根據實際情況對負載進行選擇。附圖4為本發明的系統平臺機械圖，系統平臺上設有屏幕顯示區5、實驗操作區6、 主機箱放置區7和和蓄電池放置區8，中間為電腦鍵盤的放置抽屜，而電池板和光源等為外部接入，不占用平臺的空間。附圖5為本發明開發的數據采集監控軟件操作、顯示界面。最上方為該界面可開展的實驗項目，鼠標任意點擊某一實驗，軟件即可切換至當前實驗界面。下方為軟件模擬的指示儀表，與面板上的儀表同步顯示，在當前實驗下，方便學生讀取。最下方的按鈕可以設置采樣時間，按下停止按鈕則停止當前采集狀態，并將獲得的數據保存數據到默認地址下。新型多功能太陽能光伏發電系統教學實驗平臺可以根據新能源發電課程要求，開展與太陽能光伏發電相關實驗教學活動。通過實驗，學生能深刻理解，最終達到夯實基礎、 加深理解、提高素質、培養學生實踐與創新能力的目的。同時，基于該平臺，能夠為學生提供更多的自主實驗機會，利用實驗平臺提供的太陽能電池板、蓄電池儲能單元以及負載單元等若干個相互獨立的模塊，自主設計與開發，組合與創新，進行更深一層科研探索。
權利要求
1.一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，包括實驗操作面板和發電設備；其特征在于，所述實驗操作面板上繪制有太陽能光伏發電系統的電路連接圖；所述發電設備包括模擬太陽光源、太陽能電池陣列、太陽能充放電控制器、并網逆變器、離網逆變器和蓄電池，所述發電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖電連接，其連接關系為所述太陽能電池陣列分別接入所述太陽能控制器和并網逆變器的輸入端，所述離網逆變器并聯到所述太陽能控制器的輸出端，所述蓄電池經防反二極管與所述太陽能型控制器連接；所述離網逆變器與并網逆變器輸出端分別與交流輸出接口相連；直流輸出接口并聯接入所述太陽能型控制器的輸出端；所述模擬太陽光源用于產生模擬太陽光。
2.根據權利要求I所述的一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上設有多個電壓表和電流表，用于檢測所述太陽能控制器輸入端和輸出端的電流和電壓。
3.根據權利要求I所述的一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上連接線路上設有斷路器，用于控制電路通斷。
4.根據權利要求I所述的一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，其特征在于，所述實驗操作面板上連接線路上設有指示燈，用于顯示電路通斷。
5.根據權利要求I所述的一種多功能光伏發電系統教學實驗平臺，其特征在于，還包括多路電壓電流數據采集卡、計算機和顯示器，所述采集卡采集所述太陽能控制器輸入端和輸出端的電流和電壓數據傳輸到所述計算機，所述顯示器顯示所述電流和電壓數據。
全文摘要
本發明公開一種多功能太陽能光伏發電系統教學實驗平臺，該試驗平臺包括實驗操作面板和發電設備；所述實驗操作面板上繪制有光伏型發電系統的電路連接圖；所述發電設備包括模擬太陽光源、太陽能電池陣列、太陽能控制器、并網逆變器、離網逆變器和蓄電池，所述發電器件通過實驗操作面板上的電路連接圖。該平臺涵蓋了太陽能發電技術所有的用電方式，采用實驗操作面板，結合斷路器和指示燈，直觀展現了本光伏發電系統的基本組成和功能特色，且方便學生接線與實驗操作。
文檔編號G09B23/18GK102610146SQ20121005603
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者廖志凌, 徐東, 楊兆銀, 梅從立 申請人:江蘇大學