新能源科学与工程专业《实验指导书》2020
新能源科学与工程专业 《实 验 指 导 书》 2020
目录《新能源科学与工程专业技能培训》2实训一太阳能微型气象站操作及拆分实训..3实验二太阳能热水系统及采暖系统的拆分和组装实训.8..16实训三太阳能光伏发电系统的拆分和组装实训实训四太阳能单轴跟踪操作实训...24《新能源科学与工程课程综合设计》...29..30第一章Polysun软件安装说明..35第二章Polysun软件授权码注册说明.第三章Polysun软件操作说明.37《新能源科学与工程专业实验1》...40..41实验一：太阳能基础知识讲解实验二直流逆变器实验系统实验，..53.58.实验三太阳能资源测试实验..64实验四太阳能电池实验测试箱实验...76实验五太阳能光伏电池的性能测试..88《新能源科学与工程综合设计实验》...89实验一可膨胀石墨制备...92实验二膨胀石墨制备及性能分析...97实验三石蜡/膨胀石墨复合相变材料的性能测试实验四石蜡/膨胀石墨复合相变材料的制备..99《计算机在能源工程中的应用》..101..102实验一网络上的新能源类资源检索和利用...104实验二 Origin 的应用.实验三CAD的基础入门和基本操作...106实验四CAD绘制能源工程项目的设计图..113实验五Dmol在能源工程中的应用..116《新能源科学与工程专业实验2》...117实验一：实验理论及实验准备....117..130实验二太阳能组件输出特性测试实验...136实验三太阳能电池板串、并联特性测试，..139实验四太阳能光伏直流提水系统性能测试实验五电池板表面灰尘量对发电性能的影响..143..150实验六太阳能电池板表面温度对输出特性的影响1
1 目录 《新能源科学与工程专业技能培训》.2 实训一 太阳能微型气象站操作及拆分实训.3 实验二太阳能热水系统及采暖系统的拆分和组装实训.8 实训三 太阳能光伏发电系统的拆分和组装实训.16 实训四 太阳能单轴跟踪操作实训.24 《新能源科学与工程课程综合设计》.29 第一章 Polysun 软件安装说明 .30 第二章 Polysun 软件授权码注册说明.35 第三章 Polysun 软件操作说明 .37 《新能源科学与工程专业实验 1》.40 实验一 太阳能基础知识讲解.41 实验二 直流逆变器实验系统实验.53 实验三 太阳能资源测试实验.58 实验四 太阳能电池实验测试箱实验.64 实验五 太阳能光伏电池的性能测试.76 《新能源科学与工程综合设计实验》.88 实验一 可膨胀石墨制备.89 实验二 膨胀石墨制备及性能分析.92 实验三 石蜡/膨胀石墨复合相变材料的性能测试.97 实验四 石蜡/膨胀石墨复合相变材料的制备 .99 《计算机在能源工程中的应用》.101 实验一 网络上的新能源类资源检索和利用.102 实验二 Origin 的应用.104 实验三 CAD 的基础入门和基本操作.106 实验四 CAD 绘制能源工程项目的设计图.113 实验五 Dmol 在能源工程中的应用.116 《新能源科学与工程专业实验 2》.117 实验一 实验理论及实验准备.117 实验二 太阳能组件输出特性测试实验.130 实验三 太阳能电池板串、并联特性测试.136 实验四 太阳能光伏直流提水系统性能测试.139 实验五 电池板表面灰尘量对发电性能的影响.143 实验六 太阳能电池板表面温度对输出特性的影响 .150
《新能源科学与工程专业技能培训》2
2 《新能源科学与工程专业技能培训》
实训一太阳能微型气象站操作及拆分实训(学时：8学时)一、实训目的1、了解太阳能气象站的组成；2、掌握太阳能微型气象站的运行原理；3、掌握太阳能微型气象站的拆装。二、实训内容及原理本次实训采用的微型气象站系统名称：TF-3型电站光功率环境监测系统高精度环境监测仪（TF-3）主要包括太阳总辐射、倾角辐射、风向、风速、温度及相对湿度的测量，除此之外，根据需要还可以增加同步的其他常规气象要素。1、总辐射表(水平照度测量)总辐射表采用EKOMS系列辐射表，其中MS602为二级辐射表，它体积小巧、重量轻、安装简便，优质的4mm保护罩和全密封设计使其内部的热电偶能够避免外部环境的影响，并且能够在水下正常工作。适用于气象站日常测量、光伏电站太阳能监测和研究、农林生态监测和现场环境测试等。MS-602图1MS-602太阳能总辐射表MS-602辐射表技术参数：二级辐射表，观测精度高，；高品质玻璃罩，0偏移较低；体积小，重量轻，便于应用集成；均通过ISO9060认证，可靠性高；MS-602辐射表5年质保；ISO标准等级二级表；能够在水下正常工作，响应时间：（95%）<17s；热辐射偏移(200W/m2）：+10W/m2；温度偏移（5K/h）：<6W/m2；非稳定性（年变化）：<1.7%；非线形误差（0~1000W/m2）：<1.5%；方向误差（在80°，1000W/m2时）：<25W/m2；灵敏度的温度依赖性：<2%；倾斜误差（在1000W/m2）：<2%；灵敏度：~7uV/W/m3
3 实训一 太阳能微型气象站操作及拆分实训 （学时：8 学时） 一、实训目的 1、了解太阳能气象站的组成； 2、掌握太阳能微型气象站的运行原理； 3、掌握太阳能微型气象站的拆装。 二、实训内容及原理 本次实训采用的微型气象站系统名称：TF-3 型电站光功率环境监测系统 高精度环境监测仪（TF-3）主要包括太阳总辐射、倾角辐射、风向、风速、温度及相对 湿度的测量，除此之外，根据需要还可以增加同步的其他常规气象要素。 1、总辐射表（水平照度测量） 总辐射表采用 EKO MS 系列辐射表，其中 MS602 为二级辐射表，它体积小巧、重量轻、 安装简便，优质的 4mm 保护罩和全密封设计使其内部的热电偶能够避免外部环境的影响， 并且能够在水下正常工作。适用于气象站日常测量、光伏电站太阳能监测和研究、农林生态 监测和现场环境测试等。 图 1 MS-602 太阳能总辐射表 MS-602 辐射表技术参数：二级辐射表，观测精度高；高品质玻璃罩，0 偏移较低；体 积小，重量轻，便于应用集成；均通过 ISO 9060 认证，可靠性高；MS-602 辐射表 5 年质 保；ISO 标准等级 二级表；能够在水下正常工作；响应时间：（95%）< 17 s；热辐射偏移 （200W/m²）：+ 10 W/m²；温度偏移（5K/h）：< 6 W/m²；非稳定性（年变化）：< 1.7 %； 非线形误差（0~1000W/m2）：< 1.5 %；方向误差（在 80º，1000W/m2时）：< 25 W/m²； 灵敏度的温度依赖性：< 2 %；倾斜误差（在 1000W/m2 ）：< 2 %；灵敏度：~7μV/W/m
2工作温度：-40~80c°；测量波长（50%透过率）：285~2800nm；光谱范围：280~4800nm。2、直接辐射表TP1311型直接辐射表测量垂直太阳表面（视角约0.5°）的辐射和太阳周围很窄的环形天空的散射辐射称为太阳直接辐射。太阳直接辐射是用太阳直接辐射表（简称直接辐射表或直射表）测量。日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120W/m2时间段的总和，以小时为单位取一位小数。日照时数也称实照时数。图2TP1311型太阳能直接辐射表设备的主要参数：光谱范围：280~3000nm；测试范围：0~4000W/m2；自动跟踪器电源：DC：6V±I5%，AC220V±I0%，精度：<5%；分辨率：1W/m2，0.01MJ/m2，日照时间：范围：0~24小时，精度：0.1小时。3、风向风速传感器TOPFLAG高动态性能测风传感器有风速传感器、风向传感器和传感器支架组成。风杯和风向标尾翼板用轻质高强度非金属材料制造。它的动态性能好、线性精度高、灵敏度高、测量范围宽、互换性好、抗风强度大，电路抗雷电干扰能力强，寿命长、工作可靠。其性能达到了世界气象组织（WMO）对测风传感器的建议要求。（1）风向传感器参数：起动风速：≤0.3m/s；测量范围：0~359°；精确度：±3°；分辨率：2.8125°；输出信号：七位格雷码；工作电压：DC5V，环境温度：-40~+80C°；环境湿度：100%RH（2）风速传感器参数：起动风速：≤0.3m/s；测量范围：0~70m/s；精确度：±(0.3+0.03V)m/s；分辨率：0.1m/s，输出信号：脉冲（频率）；工作电压：DC5V；环境温度：-40~+60C°；环境湿度：100%RH。4、温湿度传感器TOPFLAG温湿度传感器、变送一体化设计。采用专用温湿度传感器补偿电路和线性化4
4 ²；工作温度：-40~80℃；测量波长（50%透过率）：285~2800nm；光谱范围：280~4800nm。 2、直接辐射表 TP1311 型直接辐射表测量垂直太阳表面（视角约 0.5°）的辐射和太阳周围很窄的环形 天空的散射辐射称为太阳直接辐射。太阳直接辐射是用太阳直接辐射表（简称直接辐射表或 直射表）测量。 日照时数定义：为太阳直接辐照度达到或超过120W/m2时间段的总和，以小时为单位， 取一位小数。日照时数也称实照时数。 图 2 TP1311 型太阳能直接辐射表 设备的主要参数：光谱范围:280～3000nm；测试范围:0～4000W/m2；自动跟踪器电源： DC：6V±l5% ，AC 220V±l0% ；精度:<5%；分辨率:1W/m2，0.01MJ/ m2；日照时间:范围:0～ 24 小时,精度:0.1 小时。 3、风向风速传感器 TOPFLAG 高动态性能测风传感器有风速传感器、风向传感器和传感器支架组成。风杯 和风向标尾翼板用轻质高强度非金属材料制造。它的动态性能好、线性精度高、灵敏度高、 测量范围宽、互换性好、抗风强度大，电路抗雷电干扰能力强，寿命长、工作可靠。其性能 达到了世界气象组织（WMO）对测风传感器的建议要求。 （1）风向传感器参数：起动风速：≤0.3m/s；测量范围：0～359°；精确度：±3°；分 辨率：2.8125°；输出信号：七位格雷码；工作电压：DC5V；环境温度：-40～+80℃；环境 湿度：100%RH （2）风速传感器参数：起动风速：≤0.3m/s；测量范围：0～70m/s；精确度：± (0.3+0.03V)m/s；分辨率：0.1m/s；输出信号：脉冲(频率)；工作电压：DC5V；环境温度： -40～+60℃；环境湿度：100%RH。 4、温湿度传感器 TOPFLAG 温湿度传感器、变送一体化设计。采用专用温湿度传感器补偿电路和线性化
处理电路。温湿度传感器性能可靠，使用寿命长，响应速度快，（1）温度传感器参数：铂电阻：pt100；测量范围：-40~+120C°；准确度：优于+0.5C(0~+50C)。(2）湿度传感器参数：有效测量范围：0~100%；长期稳定性典型值0.5%RH/年；准确度：±2%（20~+100%RH,20C）±3%（0~20%RH,20C)。5、数据采集单元数据采集器是环境监测仪系统的核心，所有气象传感器均需接入数据采集单元，来实现数据的采集、处理、分析及存储，可以通过无线传输模块，来实现数据的无线远程传输。主采集器TP9220是一款结构紧凑、性能先进、运行可靠的数采。它由测量与控制设备、通讯端口、供电系统以及抗紫外ABS轻质量外壳组成。具有RS-232/485接口，支持ModbusRTU协议，能够利用以太网、CDMA/GPRS和卫星等多种通讯方式进行数据传输，也可以直接与计算机或专用PDA连接（需相关硬件支持）。TP9220具备符合欧盟CE、EMC标准的过压保护功能，能够防止瞬时过大电流对设备产生损害。数据采集器作为辐射测量采集系统的核心设备，选型尤为重要，此设备的关系到实时气象数据采集的稳定性、可靠性和准确性，为此数据采集器的技术参数应满足以下要求系统畅通率：≥95%；系统工作体制：定时自报；数据采集器MTBF：≥25000h；具有在现场或无线下载数据的功能，数据采集系统保证传输数据的准确性，数据可实时观测，定时下载，采样精度0.02%；能完整地保存不低于3个月采集的数据量；工作环境温度-40C°~+60C°具有防水、耐腐蚀保护箱采样精度±0.02%。支持多种协议，至少包括OPC，Modbus。6、光伏电站监测软件可进行原始环境数据加工和处理，剔除奇异值。评估仪器长时期无标定产生的数据不确定性，并采用数值模拟与实际观测相结合的方式对数据进行校准和修复。地面辐射数据：提供3-5个具有代表性的地面气象数据，数据长度10年（包括总辐射、温度、湿度等数据）方面教学。数据基于国家气象局地面辐射数据和常规气象数据，采用物理模型和神经网络模型，计算同化得到中国区域地面太阳辐射数据集。卫星和地面融合数据：水平分辨率<5km，此数据集水平分辨率高，适合中国区域气象台站较少的区域做太阳能评估与规划。采用卫星数据和地面台站数据，经过大气辐射同化模式融合而成，结合了卫星数据和地面数据的优势。5
5 处理电路。温湿度传感器性能可靠，使用寿命长，响应速度快。 （1）温度传感器参数：铂电阻：pt100；测量范围：-40～+120℃；准确度：优于±0.5℃ （0～+50℃）。 （2）湿度传感器参数：有效测量范围：0～100%；长期稳定性：典型值 0.5%RH/年；准 确度：±2%（20～+100%RH,20℃）±3%（0~20%RH,20℃）。 5、数据采集单元 数据采集器是环境监测仪系统的核心，所有气象传感器均需接入数据采集单元，来实现 数据的采集、处理、分析及存储，可以通过无线传输模块，来实现数据的无线远程传输。主 采集器 TP9220 是一款结构紧凑、性能先进、运行可靠的数采。它由测量与控制设备、通讯 端口、供电系统以及抗紫外 ABS 轻质量外壳组成。 具有 RS-232/485 接口，支持 Modbus RTU 协议，能够利用以太网、CDMA/GPRS 和卫 星等多种通讯方式进行数据传输，也可以直接与计算机或专用 PDA 连接（需相关硬件支持）。 TP9220 具备符合欧盟 CE、EMC 标准的过压保护功能，能够防止瞬时过大电流对设备产 生损害。 数据采集器作为辐射测量采集系统的核心设备，选型尤为重要，此设备的关系到实时气 象数据采集的稳定性、可靠性和准确性，为此数据采集器的技术参数应满足以下要求： 系统畅通率：≥ 95％；系统工作体制：定时自报；数据采集器 MTBF：≥ 25000 h； 具有在现场或无线下载数据的功能，数据采集系统保证传输数据的准确性，数据可实时观测， 定时下载，采样精度 0.02%；能完整地保存不低于 3 个月采集的数据量；工作环境温度: -40℃～+ 60℃；具有防水、耐腐蚀保护箱；采样精度±0.02%。支持多种协议，至少包括 OPC、 Modbus。 6、光伏电站监测软件 可进行原始环境数据加工和处理，剔除奇异值。评估仪器长时期无标定产生的数据不确 定性，并采用数值模拟与实际观测相结合的方式对数据进行校准和修复。 地面辐射数据：提供 3-5 个具有代表性的地面气象数据，数据长度 10 年（包括总辐射、 温度、湿度等数据）方面教学。数据基于国家气象局地面辐射数据和常规气象数据，采用物 理模型和神经网络模型，计算同化得到中国区域地面太阳辐射数据集。 卫星和地面融合数据：水平分辨率<5km，此数据集水平分辨率高，适合中国区域气象 台站较少的区域做太阳能评估与规划。采用卫星数据和地面台站数据，经过大气辐射同化模 式融合而成，结合了卫星数据和地面数据的优势
（1）辐射显示辐射的采样频率至少为每3秒钟1次，计算1分钟的算术平均值，计算1小时的算术平均值，计算1天的能量累计及辐射最大值最小值。(2）风速、风向显示风速的采样速率要求为每3秒钟1次，计算1分钟的失量合成值和1分钟的风速标准偏差，记录下1分钟的最大值；计算1小时的矢量合成值和1小时的风速标准偏差，记录下1小时的阵风最大值；计算1天的矢量合成值和1天的风速标准偏差，记录下1天的最大值。风向的采样速率为每3秒钟1次，求1分钟的矢量平均值，1小时的矢量平均值，1天的矢量平均值。（3）温度、湿度显示温度、湿度的采样速率至少每30秒1次，计算1分钟的算术平均值，1小时的算术平均值，1天的算术平均值及最小值最大值。7、TF-3型电站光功率环境监测系统安装图图3安装完成之后的TF-3型电站光功率环境监测系统二、实训仪器和药品(1)仪器TP2210一体式温湿度传感器、TP6200一体式风速风向传感器、TP1301水平总辐射测量表、TP1311直接辐射表测量表、TP9220数据记录仪、TP3101背温传感器、2.0m便携式三脚架、倾角支架套装、线缆万用电表、连接导线、滑动变阻器(2）药品无水乙醇四、实训操作步骤系统安装主要包括以下几个步骤：1、TP1311直接辐射表测量表的组装一一根据使用说明书进行组装；6
6 （1）辐射显示 辐射的采样频率至少为每 3 秒钟 1 次，计算 1 分钟的算术平均值，计算 1 小时的算术 平均值，计算 1 天的能量累计及辐射最大值最小值。 （2）风速、风向显示 风速的采样速率要求为每 3 秒钟 1 次，计算 1 分钟的矢量合成值和 1 分钟的风速标准 偏差，记录下 1 分钟的最大值；计算 1 小时的矢量合成值和 1 小时的风速标准偏差，记录 下 1 小时的阵风最大值；计算 1 天的矢量合成值和 1 天的风速标准偏差，记录下 1 天的最 大值。 风向的采样速率为每 3 秒钟 1 次，求 1 分钟的矢量平均值，1 小时的矢量平均值，1 天 的矢量平均值。 （3）温度、湿度显示 温度、湿度的采样速率至少每 30 秒 1 次，计算 1 分钟的算术平均值，1 小时的算术平 均值，1 天的算术平均值及最小值最大值。 7、TF-3 型电站光功率环境监测系统安装图 图 3 安装完成之后的 TF-3 型电站光功率环境监测系统 二、实训仪器和药品 （1）仪器 TP2210 一体式温湿度传感器、TP6200 一体式风速风向传感器、TP1301 水平总辐射测量 表、TP1311 直接辐射表测量表、TP9220 数据记录仪、TP3101 背温传感器、2.0m 便携式三 脚架 、倾角支架套装、线缆万用电表、连接导线、滑动变阻器 （2）药品 无水乙醇 四、实训操作步骤 系统安装主要包括以下几个步骤： 1、TP1311 直接辐射表测量表的组装——根据使用说明书进行组装；
2、TP1301水平总辐射测量表—根据使用说明书进行组装3、TP2210一体式温湿度传感器和TP6200一体式风速风向传感器安装4、TP3101背温传感器和支架的组装，根据场地情况进行；5、安装TP9220数据记录仪；6、点击软件进行试运行，确定线路已经连接完毕五、实训报告撰写1、在上课之前撰写原理部分，可以选择性抄录；2、记录教师现场讲解的组装步骤，对关键步骤需要图片；3、自己到网络上查找直射辐射仪、总辐射仪分别测试的是什么，并将自己查到的材料撰写于实训报告当中；4、记录讲师演示过程当中强调的相关注意事项。六、注意事项1、实验过程中严禁用导体接触实验仪裸露元器件及其引脚；2、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后方可打开电源进行实验；3、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出量程，选择合适的量程再测量4、严禁将任何电源对地短路。七、思考题1、光功率环境监测系统的具体作用是什么？2、太阳能直射辐射与太阳能总辐射的关系是什么？7
7 2、TP1301 水平总辐射测量表——根据使用说明书进行组装； 3、TP2210 一体式温湿度传感器和 TP6200 一体式风速风向传感器安装； 4、TP3101 背温传感器和支架的组装，根据场地情况进行； 5、安装 TP9220 数据记录仪； 6、点击软件进行试运行，确定线路已经连接完毕 五、实训报告撰写 1、在上课之前撰写原理部分，可以选择性抄录； 2、记录教师现场讲解的组装步骤，对关键步骤需要图片； 3、自己到网络上查找直射辐射仪、总辐射仪分别测试的是什么，并将自己查到的材料 撰写于实训报告当中； 4、记录讲师演示过程当中强调的相关注意事项。 六、注意事项 1、实验过程中严禁用导体接触实验仪裸露元器件及其引脚； 2、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后， 方可打开电源进行实验； 3、若照度计、电流表或电压表显示为“1”时说明超出量程，选择合适的量程再测量； 4、严禁将任何电源对地短路。 七、思考题 1、光功率环境监测系统的具体作用是什么? 2、太阳能直射辐射与太阳能总辐射的关系是什么?
实验二太阳能热水系统及采暖系统的拆分和组装实训(学时：10学时)一、实验目的1、了解太阳能热水系统的主要组成部分机器作用；2、掌握太阳能热水系统的拆装；3、了解太阳能供暖系统的运行原理及主要组成部分。二、实训内容及原理1、太阳能供暖系统本次实训课讲解的太阳能供暖系统使用的是TP-1901太阳能光热实验平台。图4太阳能采暖系统实物图(1）系统特点新颖性：以前沿技术为导向，与实验相结合；开放性：开放式设计，用户可以利用装置资源进行二次设计；实用性：采用准实物设计。8
8 实验二太阳能热水系统及采暖系统的拆分和组装实训 （学时：10 学时） 一、实验目的 1、了解太阳能热水系统的主要组成部分机器作用； 2、掌握太阳能热水系统的拆装； 3、了解太阳能供暖系统的运行原理及主要组成部分。 二、实训内容及原理 1、太阳能供暖系统 本次实训课讲解的太阳能供暖系统使用的是 TP-1901 太阳能光热实验平台。 图 4 太阳能采暖系统实物图 （1）系统特点 新颖性：以前沿技术为导向，与实验相结合；开放性：开放式设计，用户可以利用装置 资源进行二次设计；实用性：采用准实物设计
(2）系统的组成太阳能系统：太阳能集热器、蓄热水箱、变频水泵；控制系统：太阳能控制器，采暖系统：地面盘管：TP1901型太阳热水系统性能测试仪，配套管件。（3）太阳能+地板采暖盘管t1t3t4电锅炉X蓄热水箱t5水泵1t2水泵2图5太阳能+地板采暖运行原理图（4）太阳能+地板采暖+生活热水生活热水t8盘管t1t3t4电锅炉t6t7水潜式换热ts器水泵1t2蓄热水箱水泵2t541上水图6太阳能+地板采暖+生活热水运行原理图（5）系统的主要功能a掌握太阳能系统的基本原理，使学生理解各个部件的用途。b太阳能热水系统、太阳能+地板采暖系统。C分析当地全年不同的室外条件下，利用太阳能制备生活热水、太阳能供暖的可行性和经济性，掌握其基本规律，为进一步地深入研究、应用积累实验数据。d对在相同的热负荷条件下，调整太阳能集热器面积、蓄热水箱容积，找出最佳的太阳能地板辐射采暖太阳能集热器面积、蓄热水箱容积的配比。9
9 （2）系统的组成 太阳能系统：太阳能集热器、蓄热水箱、变频水泵；控制系统：太阳能控制器；采暖系 统：地面盘管；TP1901 型太阳热水系统性能测试仪；配套管件。 （3）太阳能＋地板采暖 图 5 太阳能＋地板采暖运行原理图 （4）太阳能＋地板采暖＋生活热水 图 6 太阳能＋地板采暖＋生活热水运行原理图 （5）系统的主要功能 a 掌握太阳能系统的基本原理，使学生理解各个部件的用途。 b 太阳能热水系统、太阳能＋地板采暖系统。 c 分析当地全年不同的室外条件下，利用太阳能制备生活热水、太阳能供暖的可行性和 经济性，掌握其基本规律，为进一步地深入研究、应用积累实验数据。 d 对在相同的热负荷条件下，调整太阳能集热器面积、蓄热水箱容积，找出最佳的太阳 能地板辐射采暖太阳能集热器面积、蓄热水箱容积的配比