太阳能电池应用实验仪

实验指导及操作说明书

                                                     

太阳能电池应用实验仪

电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约４０分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的能量消费。可以说，太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为最理想的能源。从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现。 它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点： ①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥获取能源花费的时间短。 要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。应用举例：1.光伏并网发电。其应用范围十分广阔，覆盖着从几瓦、几十瓦的小型便携式电源直到几兆瓦的并网发电系统，同时在太阳能照明以及通信系统、水文观测系统、气象和地震台站等中得到了广泛的应用。2.太阳能路灯 3. 太阳能电话。巴黎伏德瓦特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时，便足够使用１０多天。 4. 太阳能冰箱。印度研制出一种仓库用的大型太阳能冰箱，上部装的抛物线镜面将阳光集中在半导体网孔上，把光转换成电流，箱内温度保持在－２℃，可冷藏５００公斤食品，每天还可制出２５公斤冰来。 5. 太阳能空调器。日本夏普电器公司制造的这种空调装置，当天气晴朗时，全部动力都由阳光供给，多云或阴天时才使用一般电源。期间的转换由控制系统自动完成，用它可使一间１８平方米的居室室温保持在２０℃左右，并较一般空调器节约电费６０％以上。 6. 太阳能电视机。芬兰研制的太阳能电视机只要白天把半导体硅光电池转换器放在有阳光的窗台上，晚上不需电源便可观看电视。转换器贮存的电能，可供工作电压为１２伏的电视机使用３至４小时。7. 太阳能照相机。日本制作的世界上第一架太阳能照相机，重量仅有４７５克，机内装有先进的太阳能电池系统，其蓄电池可连续使用４年。

实验目的

1、  在熟悉太阳能电池基本特性的基础上，学习并掌握太阳能电池的应用原理。

2、  了解并掌握太阳能发电系统的组成及工程应用方法。

实验内容

1、  太阳能电池板输出伏安特性测试。

2、  太阳能电池带载应用实验。

3、  太阳能电池充电储能应用实验。

4、  太阳能电池实时输出应用实验。

5、  太阳能电池电网应用实验。

实验仪器

实验装置如下图1所示：有3部分组成：光源、实验仪和测试仪组成。

图1.太阳能电池应用实验装置

光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光功率，具体数值由光功率计测量。测试仪为测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。实验仪操作平台元器件：超级电容和铅蓄电池为储能模块；匹配负载、DC-DC模块、逆变升压器为太阳能电池输出调整模块；12V直流风扇、12VLED灯和AC220节能灯为太阳能电池的负载模块。

实验原理

      硅太阳能电池的外形及基本结构如图1。其中基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
    当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。

    太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区产生阳光电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10％（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5 ％左右。电池基体区域产生的光电流对红外光敏感，占80－90％，是光生电流的主要组成部分。

实验一太阳能电池板输出伏安特性测试

按图2接线，以匹配负载作为太阳能电池的负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在某一个高度），实验时先将匹配负载旋钮逆时针旋转到底，通过顺时针旋转匹配负载，记录太阳能电池的输出电压V和电流I,并计算输出功率P_O=V×I，填于表1中。

图2 测量太阳能电池板输出伏安特性原理图

表1  太阳能电池板输出伏安特性

绘制太阳能电池片的输出伏安特性曲线；以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，作太阳能电池输出功率与输出电压关系曲线。找出最大输出功率点，记录下最大功率点对应的输出电压和电流。

实验二 太阳能电池充电储能应用实验

实验原理

1.超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

　　超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。

图5：超级电容原理          

　　实验内容

        实验A中将电池片的输出直接接入超级电容，记录电池片两端的电压值与电流值随着时间的变化，观察其变化情况；

表3.  充电过程中超级电容两端的电压和电流值

        实验B中将电池片与负载之间加入匹配负载，先调节好匹配负载，使得电池片处于最大功率输出点，观察并记录超级电容两端的电压与电流；

表4.  增加匹配负载后，充电过程中超级电容两端的电压和电流值

（1）通过实验A得到超级电容的充电特性。

（2）比较A、B实验中超级电容两端的电压和电流值，分析其异同的原因。

思考：实际应用中，充电时间、储能量和充电效率等因素对使用电池的系统的影响。

实验三太阳能电池带负载应用实验

1.实验原理

   太阳能电池片的负载曲线如图3，在实际带载中（实验A）若电池的输出点在A点，而电池片的输出最大功率点在B点。此时的功率差异为（面积②-面积③），此功率则被电池片自身消耗掉；若改变实际负载的阻值，使得电池片的输出阻值在B点时，则使得电池片发挥最大的功效。

 

           图3：电池片的负载特性曲线                  图4：匹配负载原理

    在太阳能电池片和实际负载之间配置一个匹配负载，如图4所示。该匹配负载在太阳能伏电池和实际负载之间起电压适配作用，其输出电压Uout与输入电压Uin之比可以在一定范围内调节，还可以通过改变等效输入阻抗Rin，使太阳能电池达到最大功率。在工作过程中，控制匹配负载，就可以改变光伏电池的等效负载，实现太阳能电池片的最大功率输出。匹配负载实质为开关电源（DC-DC模块），其自身的功耗、转换率会影响整个太阳能电池的利用率；

实验内容

        实验A中将电池片的两端输出直接接入负载（DC12V风扇），记录电池片两端的电压值与电流值；

        实验B中将电池片与负载之间加入匹配负载，并调节匹配负载观察电池片两端的电压与负载端的电流；将该电压值调整到太阳能电池片的最大输出功率对应的电压值，将此时的电压值与电流值记录到表2中；

表2.实际负载的电压和电流值

思考：比较实验A与实验B中增加匹配负载前后，实际负载两端电功率的变化，分析匹配负载的作用。

扩展：1.对于实验A,通过改变灯源距离太阳能电池的距离观察LED的亮度或者风扇的转速，总结出变化规律，并思考变化的原因。

2.更换接入负载为DC12VLED灯，按上述实验步骤完成上述实验。比较实验数据的异同，分析匹配负载的作用。

3.自行搭建电路完成匹配负载消耗功率与太阳能电池输出总功率的比值的计算。

实验四 太阳能电池实时输出应用实验

实验内容

        A、实验按图6进行搭建实物，检查完毕后调节匹配负载和DC模块使得负载工作；

然后调节匹配负载，使得电池片两端的电压由小变大（3V-12V）和由大变小，将流经实际负载的电流记录到表5中；

表5.实际负载两端的电压和电流值

        B、按图6去除电路中的铅蓄电池，调节匹配负载，使得电池片两端的电压由小变大（3V-12V）和由大变小，记录流经实际负载的电流到表6；

        表6.实际负载两端的电压和电流值

        比较实验A与实验B中电流的变化激烈程度，分析引起问题的原因和铅蓄电池在此系统中的作用。

实验五 太阳能电池电网应用实验

实验原理、内容

      实验搭建太阳能实际应用系统：太阳能充电储能—逆变升压电网供电的应用模型；太阳能电池片通过调节匹配负载使得在此光强下的最大功率输出点，然后调整DC模块的电压输出使得其电压输出最大时对蓄电池进行充电，最后将蓄电池的低压直流电通过逆变升压器转换成交流220V的电源对交流负载进行供电；

        实验完成后思考这个系统的能量损耗点及损耗系数，并思考在实际运用中需要考虑哪些因数：电池片的功率、太阳能控制器、铅蓄电池的容量大小等；

       

扩展内容：试于本地的光照情况设计一个太阳能电池发电的系统：实际要求：能够满足20W的节能灯在阴雨电气中，每天6小时、能够工作一个星期；

【注意事项】

1.       连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。

2.       连接电路时，保持测试仪电源开关断开。

3.       电路连接完成后，应检查线路无误后再打开光源和电源开关。

 

第二篇：太阳能电池特性实验仪实验指导说明

太阳能电池特性实验

实验指导及操作说明书

                                                     

中南大学物理实验中心

太阳能电池特性实验

本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。

实验内容

1．  太阳能电池的暗伏安特性测量

2．  测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系

3．  测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系

4．  太阳能电池的输出特性测量

实验原理

太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图1为P-N结示意图。

P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。

当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。

在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。

负载电阻为零时测得的最大电流I_SC称为短路电流。

       负载断开时测得的最大电压V_OC称为开路电压。

太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。

输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率P_max。

填充因子F.F定义为：

         （1）

填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.75~0.8之间。

转换效率η_s定义为：

       （2）

Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。

理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。

　　硅太阳能电池分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

　　单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难。

　　多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。

　　非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。

实验仪器

太阳能电池实验装置如图4所示，电源面板如图5所示。

图4  太阳能电池实验装置

光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光强，具体数值由光强探头测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强的数值。

电压源：可以输出0～8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。

电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当的显示范围。

电流表：可以测量并显示0～200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。

图5   太阳能电池特性实验仪

实验内容与步骤

    1．硅太阳能电池的暗伏安特性测量

暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。

太阳能电池的基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。

本实验提供的组件是将若干单元并联。要求测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。

用遮光罩罩住太阳能电池。

测试原理图如图6所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50Ω后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。

  图6  伏安特性测量接线原理图

将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。记录到表1中。                               

将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。

表1  三种太阳能电池的暗伏安特性测量

以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。

讨论太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同。

2．开路电压，短路电流与光强关系测量

打开光源开关，预热5分钟。

打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强I，将测量到的光强记入表2。

将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图7A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值于表2中。

按图7B接线，记录短路电流值于表2中。

将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。

将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。

表2  三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系

根据表2数据，画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线。

根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。

3．太阳能电池输出特性实验

   按图8接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I,并计算输出功率P_O=V×I，填于表3中。

表3  3种太阳能电池输出特性实验 

 距离=  30  cm        S=0.003 m²       光强I=     W/m²

根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，并与图2比较。

找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。

由（1）式计算填充因子。

由（2）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率P_in=I×S，I为入射到太阳能电池板表面的光强，S为太阳能电池板面积。

若时间允许，可改变光照强度（改变滑动支架的位置），重复前面的实验。

【注意事项】

1．       在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；

2．   光源工作及关闭后的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸；

3．   可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；