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小学科学29光伏发电系统（教案）光伏发电系统（教案）引言光伏发电系统是利用太阳能将光能转化为电能的一种可再生能源技术。
在当今世界，应对能源紧缺和环境污染是人类面临的重要问题之一。
因此，教授小学生关于光伏发电系统的知识和意识是非常必要的。
本教案将向小学生介绍光伏发电系统的基本原理、组成和应用。
一、教学目标1. 了解光伏发电系统的基本原理和工作方式。
2. 了解光伏发电系统的组成部分。
3. 知道光伏发电系统在生活中的应用。
4. 培养学生的环保意识和节能意识。
二、教学内容和步骤1. 光伏发电系统的基本原理（10分钟）引导学生回顾太阳是如何提供光和热能的，并解释光伏效应的概念。
通过实例和图示，向学生解释光伏效应是如何将光能转化为电能的。
2. 光伏发电系统的组成（15分钟）介绍光伏发电系统的组成部分，包括太阳能电池板、电池组、逆变器和电网。
通过图片和简单的动画，向学生展示每个组成部分的作用和相互之间的关系。
3. 光伏发电系统的工作方式（15分钟）解释光伏发电系统是如何工作的。
先向学生介绍太阳能电池板的作用，它可以将太阳光直接转化为电能。
接着，介绍电池组的作用，它负责存储太阳能电池板产生的电能。
然后，解释逆变器的作用，它将直流电转化为交流电，以供家庭使用。
最后，介绍电网的作用，它可以将多余的电能储存在电网中，需要的时候再从电网中取出。
4. 光伏发电系统在生活中的应用（15分钟）向学生介绍光伏发电系统在生活中的广泛应用。
例如，太阳能充电器可以充电手机、计算器等小型电子设备；太阳能灯可用于户外照明；太阳能热水器可用于加热水等。
通过实例的介绍，让学生了解光伏发电系统的实际应用。
5. 环保意识与节能意识的培养（15分钟）通过与学生的互动讨论，提高学生对环保和节能意识的认识。
引导学生意识到使用光伏发电系统可以减少对传统能源的依赖，减少碳排放，并保护环境。
鼓励学生在日常生活中节约用电，养成节能意识。
三、教学评估1. 提问学生关于光伏发电系统基本原理的问题，观察他们对概念和原理的理解程度。
有逆流型并网系统
、无逆流型并网系统
无逆流型并网系统如图所示。
太阳电池的电力供给负载后即使有剩余电能，但剩余电
无逆流型并网系统
、切换型并网系统
切换型并网系统可分为一般情况下使用的系统以及自立运行切换型并网系统，后者主要在防灾等情况下使用。
自运行切换型并网系统
、直、交流型并网系统
与独立直、交流光伏系统的不同是与电力系统并用，提高了供电的可靠性。
光伏燃料电池并网系统
风光互补并网发电系统的优点有：提高再生能源利用率，通过配合使用达到最佳经济目标；构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不稳定的问题；大幅度减小蓄电池组的容量。
）控制比较复杂：因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作
地域型并网系统
并网发电系统入网申报流程
从前面可以知道，无论是哪种并网光伏发电系统，都有电能输送问题，因此
发电系统相连接时，需要与电力公司提出相关申请。
步骤申请如图所示。
并网发电系统入网申报流程
、归纳总结： 5 分钟
、并网光伏发电系统：与电力系统连接在一起的光伏发电系统。
、并网光伏系统特点：太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接人公共电网，并网系统中光伏方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。
太阳能光伏技术（Solar Photovoltaic Technology）课程代码：学分：3学时： 45（其中：课堂教学学时：45 实验学时：上机学时：课程实践学时: ）先修课程：工程热力学、传热学、流体力学适用专业：新能源、热能、工程热物理专业3年级学生教材：《太阳能发电-光伏能源系统》，Stefan Krauter等，机械工业出版社，2008年5月第1版一、课程性质与课程目标（一）课程性质《太阳能光伏技术》是新能源专业的一门专业必修课程。
它建立在数学、工程热力学、传热学、流体力学等课程知识的基础上，是对这些相关课程中一些基本理论的具体应用。
也为进一步了解并应用新能源打下了基础。
（二）课程目标1. 了解世界范围内各种传统能源现状及能源危机，以及包括太阳能在内的各种新能源的现状；2. 理解太阳能光伏技术中的各种主要方式及其研究和应用现状；3. 熟练掌握太阳能光伏利用中，各种收集能量和储存能量装置的设计和安装；4. 掌握光伏设计中的各种计算方法。
二、课程内容与教学要求第一章太阳能简介1、教学内容（1）本课程的性质、研究对象与方法、目的、任务；（2）21世纪能源问题及可再生能源解决方案；（3）全球的太阳能资源及利用现状。
2、基本要求（1）了解本课程的性质、研究对象与方法、任务；（2）了解能源危机和可再生能源利用的现状；（3）了解太阳能资源。
第二章太阳能资源1、教学内容（4）来自太阳照射的能量、太阳和地球之间的几何关系；（5）能量受体的方向性以及采集可靠的太阳能信息对太阳能技术的工程设计、运行和管理的重要性。
2、基本要求熟悉太阳能的来源，太阳能对地球的辐射方式以及如何采集太阳能的各种信息。
第三章工程学基础：半导体物理学、热力学、传热学和流体力学1、教学内容（1）描述太阳能光伏利用中基本原理的半导体物理基础；（2）光伏电池生产和使用中的热力学、传热学和流体力学问题。
2、基本要求熟练掌握各种基础学科中的一些基础知识，并应用于太阳能光伏设计。
5.3.1独立光伏系统概述独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的光伏发电系统。
独立太阳能光伏系统主要用于远离电网、不需并网和备用电源、夜间阴雨天不需要电网供电而又必须电力的地方。
常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。
独立光伏系统有光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。
从太阳电池的输入输出特性可知，当电流增加时电压会降低，因此，太阳电池特性存在最大功率时的最佳动作点，通过功率调节器件的调节，改变电压使功率向增加的方向变化，将光伏组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载，使PV系统的系统能量利用效率尽可能高。
独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。
它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。
光伏阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经逆变器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。
控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)、能量管理和逆变器输出控制。
太阳能发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的。
工程上使用的储能元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。
从负载用电时间上划分的光伏发电系统有白天用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜用电的光伏发电系统。
白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。
理论上，供给此类负荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。
在光照充足条件下，负载能正常工作。
该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。
负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也接人一定容量的储能元件，同时此储能元件也可以在一定程度上提高光伏电池发电的利用率，以应付负载的冲击性波动或冲击性启动等造成的电压剧烈波动。
绪论能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。
广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。
近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。
自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。
同时，照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界各国的一项重要的能源消耗，据统计照明用电占我国总发电量的10％以上，绿色节能照明的应用越来越受到重视。
我国在1996年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应问题，新型的照明光源LED 发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。
太阳能电池板和LED都是由半导体材料构成的，随着半导体材料技术的更加完善必将推动太阳能和LED的进一步发展。
将太阳能和LED结合起来为节能照明技术提供了新的解决方案。
一、课程设计报告内容1.太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电能输出。
光伏发电系统主要由太阳能光伏电池、储能电池、充放电电路、光源及控制电路等组成，系统的组成框图如图1所示：系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。
太阳能电池将太阳能转变成电能，一部分用来给直流负载LED供电，另一部分储存在蓄电池中。
当没有太阳光或者光线暗时，LED照明系统所需要的能量不够的部分由蓄电池提供。
LED照明部分不仅可以实现昼夜照明，同时采用了自动调光技术，可以使室内的光线保持恒定。
图1 光伏发电系统组成框图太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。
在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。
5.3.1独立光伏系统概述
独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的光伏发电系统。
独立太阳能光伏系统主要用于远离电网、不需并网和备用电源、夜间阴雨天不需
要电网供电而又必须电力的地方。
常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动
式便携电源。
独立光伏系统有光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。
从太阳电池的输入输出特性可知，当电流增加时电压会降低，因此，太阳电池特
性存在最大功率时的最佳动作点，通过功率调节器件的调节，改变电压使功率向
增加的方向变化，将光伏组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负
载，使系统的系统能量利用效率尽可能高。
独立光伏系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。
它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备组成。
光伏阵列接收太阳能并转换为电能，发出的电能经逆变器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。
控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪()、能量管理和逆变器输出控制。
太阳能发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的。
工程上使用的储能元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。
从负载用电时间上划分的光伏发电系统有白天用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜用电的光伏发电系统。
白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。
理论上，供给此类负荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。
在光照充足条件下，负载能正常工作。
该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和用电是平衡的。
负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也接人一定容量的储能元件，同时此储能元件也可以在一定程度上提高光伏电池发电的利用率，以应付负载的冲击性波动或冲击性启动等造成的电压剧烈波动。
夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。
储能元件是必不可少的，白天光伏阵列所发电量除去自身系统所用外全部储存在储能元件中，夜间光伏电池停止发电，由储能元件向负载和自身系统供电，负载供电相对平稳。
虽然太阳能发电受气象环境因素影响较大，但此种系统在考虑了阴天影响的基础上，只要发电容量和储能容量设计合理，从宏观上用电与发电可以达到平衡，由此受气象环境的影响较小。
光伏发电系统的合理设计要根据负载用电情况、负载特性和当地年平均日照量而进行。
5.3.2独立光伏系统的种类及构成
独立光伏系统的分类：小型太阳能供电系统、简单直流系统、大型太阳能供电系
统、交直流供电系统、混合供电系统。
混合型系统的优点：按照自然条件和负荷情况配置风和光的发电比例可以达到最
佳的经济目标，构成一定的互补关系，克服光伏发电系统和风力发电电能供应不
稳定的问题，同时还可以大幅度减小蓄电池组的容量。
1、小型太阳能供电系统
该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。
其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。
如在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、收录机等直流设备，用来解决无电地区家庭的基本照明。
2、简单直流系统
简单直流系统的特点是系统负载为直流负载，而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。
系统结构简单，直接使用太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。
其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。
3、大型太阳能供电系统
与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。
中国在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用这种形式；中国移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也采用了这种光伏系统供电。
如图所示的光伏路灯系统已经在国内外的许多城市中应用。
这种系统是最典型的“光伏＋储能”系统。
天气良好的白天光伏发电，所发电力向蓄电池充电，晚间蓄电池向用电负荷放电。
有些照明负荷是直流的，有些负荷是交流的。
如负荷是直流的，则无须增加逆变环节，否则需要加装逆变环节，增加逆变环节会带来额外的功率损耗。
照明负荷往往用电电压是市电等级（即220V交流），因此必须使用升压变换电路，将低压的直流电力升高到220V的交流或等效直流。
对白炽灯来说，220V交流和220V直流其照明工作原理和照明效果是基本相同的。
但对内部含有电子镇流的节能灯来说，因电子镇流器工作原理是先将220V交流电整流成约280-310V的直流电，再供电给电子镇流器中的逆变环节。
所以，此类供电负载可直接使用直流电源供电，而不必先将电源逆变成交流。
只是使用直流电源供电时，应采用280-310V直流。
故光伏照明系统输出供给照明环节的额定电压不能一概而论，即并非为固定的220V交流，要结合各种照明负载特性综合而定。
光伏路灯系统
值得说明的是，由于光伏发电系统造价的昂贵，照明负载的电光源应尽可能采用高效的节能灯或气体放电灯等高效光源。
蓄电池由于节数限制，其输出一般要加升压电路。
系统使用的蓄电池一般为铅酸免维护蓄电池，尽量不要使用会造成蓄电池极板记忆效应的镍福蓄电池。
因为蓄电池每昼夜构成一次充放电循环，充电和放电都是不完全的，视天气和用电情况决定。
使用铅酸蓄电池充放电，还要注意不要过充电也不要过放电，以免造成蓄电池的损伤和损坏。
照明系统一般带有能量管理系统，用来控制蓄电池端电压或统计每日的充放电电量和控制照明的时间。
4、交流、直流供电系统
与上述的三种光伏系统不同的是，交流、直流供电系统这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电，以满足交流负载的需求川。
通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。
在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其他一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。
5、混合供电系统
混合供电系统，这种太阳能光伏系统中除了使用太阳电池组件阵列之外，还使用了其他发电系统作为备用电源。
主要有：风光互补型系统、太阳光热互补型系统、光伏燃料电池系统。
使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。
比较典型的应用时风光互补型发电系统。
风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。
一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏停止发电。
而中国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因此二者发电正好构成一定的互补关系。
另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电功率可以做得很大，现风力发电机组其容量已可达兆瓦级。
风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电要低许多，但其发电运行稳定性比光伏发电要差。
从稳定性考虑，风能是非常不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身很难提供稳定的电能输出。
为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是：大中型风力发电机组（上百千瓦及以上）并入电网运行；小型风力发电机组（几十千瓦）或者并网运行或者与其他发电设备互补运行，如柴油发电机组或。
