研究太阳能电池的串并联接法剖析

1、东华理工大学东华理工大学物理设计性实验方案实验课题 ：一太阳能电池的串并联接法专业：地球物理学班级：1322901学号：201320290122姓名：周祥指导老师：李迎核工程与地球物理学院东华理工大学实验名称： 太阳能电池的串并联接法目前能源的重要性越来越被人们所重视。由于煤、石油、天然气等 主要能源的大量消耗，能源危机已经成为世界关注的问题。为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能、水能等清洁能源， 其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。 本实验仪器旨在提 高学生对太阳能电池基本特性的认识、学习和研究。一、实验目的（ 1） 了解太阳能电池的工作原理及性能；（ 2） 探究太阳能电池串并联

2、对其输出功率的影响 , 测出功率最大值 PW。二、实验仪器：太阳能电池实验仪、太阳能电池板、连线若干、 60W 白炽灯、挡板。三、实验原理太阳能电池又叫光伏电池， 它能把外界的光转为电信号或电能。 实 际上这种太阳能电池是由大面积的 PN结形成的，即在 N 型硅片上扩 散硼而形成的 P型层，并用电极引线把 P型和 N型层引出，形成正负 电极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行 氧化，形成二氧化硅保护膜。 短路电流和开路电压是太阳能电池的两个非常重要的工作状态， 它们 分别对应于负载电阻 RL=0和 RL=的情况。在黑暗状态下太阳能电池在电路中就如同二极管。 因此本实验要测量

3、出太阳能电池在光照状态东华理工大学下的短路电流 I SC和开路电压 UOC，最大输出功率 PM和填充因子 FF以 及在黑暗状态下的伏安特性。在 U = 0情况下，当太阳能电池外接负载电阻 RL时，其输出电压和电 流均随 RL 变化而变化。只有当 RL取某一定值时输出功率才能达到最 大值 Pm，即所谓最佳匹配阻值 RL=RLB，而 RLB则取决于太阳能电池的内 阻 Ri=UOC/I SC。由于 UOC和 I SC均随光照强度的增强而增大，所不同的是 UOC与光强的对数成正比， I SC与光强（在弱光下 ）成正比，所以 Ri 亦随 光强度变化而变化。 UOC、I SC和 RI 都是太阳能电池的重要

4、参数。最大 输出功率 PM与 UOC和 I SC乘积之比，可用下式表示FF=PM/UOCI SC（1）此时加在它上面的正向偏压 U与通过的电流 I 之间关系式为I =I 0（ eU-1）（2）式 中 I 和 是 常 数 ， I0 为 太 阳 能 电 池 反 向 饱 和 电 流 ， =KBT/e=1.38*10 -23*300/1.602*10 -19=2.6*10 -2V-1。东华理工大学在光照状态下， 如果设想太阳能电池是由一个理想电流源、 一 个理想二极管、一个并联电阻 RSh与一个电阻 RS 所组成，那么太阳能 电池的工作如图 2 所示图 2 中 I PH为太阳能电池在光照时该等效电源输

5、出电流， I d 为光照时， 通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：IRS+U-（I ph-I d-I）R Sh=0（ 3）式中， I 为太阳能电池的输出电流， U 为输出电压。由（ 4）式可得I（1-RS/RSh）=I ph-U/R Sh-I d（4）假设 RSh=和 RS=0太阳能电池可简化为图 3 所示这里， I=I ph-I d=I ph-I 0(e u-1)在短路时， U=0,I ph=I sc而在开路时， I=0,I sc-I 0(e uOC-1)=0东华理工大学5)可以得到： UOC=(1/ )*l N(I SC/I O+1)式即为在 Rsh=和 Rs=0 的情况下，

6、太阳能电池的开路电压 UOC和短路 电流 I SC的关系式。其中 UOC为开路电压， I SC为短路电流。四、实验装置1. 太阳能电池板 4 块：其中单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池 各 2 块( 单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池的性能基相同。单晶 硅太阳能电池的平均转换效率比多晶硅太阳能电池的平均转换效率 高)；2. 改变电池与光源的距离，取 15,20,25,30,35,5 组测量数据。五、实验内容和步骤1在光照状态下太阳能电池的短路电流 I SC、开路电压 UOC最大输出 功率 PM，最佳负载及填充因子 FF的测量(1) 打开电源，将控制白炽灯电源的“开灯 / 关灯”开关置于“开 灯

7、”，并把“亮度调节”旋钮调到最小；(2) 将太阳能电池的导线连接到插座插头上 (注意连接插头时要 连接同一块电池板的两个插头，将“明暗状态开关”拨到“明状态” 加载电压调到 0 V ，“负载调节”(负载电阻)旋钮逆时针调到最小， 此时电流表上有电流显示，这是外界光产生的本底光电流；(3) 将灯源亮度调到最强， 逆时针调节负载电阻旋钮到最小， 测 出太阳能电池的短路电流 I SC，顺时针调节负载电阻旋钮到最大，测 出太阳能电池的开路电压 UOC;(4) 将灯源亮度调到最强， 调节负载电阻，由最小逐渐调到最大，东华理工大学可以看见光电流及负载电压的变化，负载电压每隔 0.2V 左右测量负 载的电压

8、和电流值。2. 太阳能电池的短路电流 I SC、开路电压 UOC与相对光强关系的测 量 分别将“负载调节”旋钮（负载电阻）调到最小和最大，改变白 炽灯光强度 （ 旋转“亮度调节”旋钮 ），分别记录下短路电流和开路电 压，将电池与光源的距离调节，分别为 15,20,25,30,35,5 组测量。3. 太阳能电池板的串联并联特性的研究（ 1）串联 将两个太阳能电池对应的红黑插座用插线串联起来用插线将左 边的太阳能电池的黑插座连到右边太阳能电池的红插座上， 并将剩余 的两个插座与机箱上对应颜色的插座连接起来） ，此时重复光照状态 下的测试实验，观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电 压、短路电

9、流与串联时的区别。 并思考实际开路电压与理论上的不同 之处。注意串联光电池应该是同一种类的。（2）并联将每个太阳能电池对应的红黑插座用插线并联起来 （用插线将左 边的太阳能电池的插座连到右边太阳能电池相同颜色的插座上， 将太 阳能板上的插座与机箱上对应颜色的插座连接起来） ，此时重复光照 状态下的测试实验， 观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路 电压、 短路电流与并联时的区别。 并思考实际短路电流与理论上的不 同之处。注意并联光电池应该是同一种类的。六、数据表格及数据处理东华理工大学1. 太阳能电池填充因子的测量表 1 不同负载电阻时的负载电压和光电流的测量 本底光电流 I 0= （ m

10、A）短路电流 I SC= （ mA ）开路电压 UOC= （ V ）负载电阻（ K ）R=U/I负载电压 U/V光电流 I/mA功率 P（ mW）P=UI计算出不同负载电阻时的功率数值，并绘制出负载电阻（K ）与功率 P（ mW）的关系曲线，在曲线上找出功率最大值和对应的最佳负载 R，利用公式（）计算出太阳能电池的填充因子FF=Pmax/UOCI SC。2. 太阳能电池的短路电流 I SC、开路电压 UOC与相对光强关系的测量表 2 光强比与开路电压、短路电流的测量电池与光源距离 /cmI SC/mAUOC/V1520东华理工大学2530353. 太阳能电池串并联的测量表 3 太阳能电池串并联

11、时电压、电流的测量1号多晶2号多晶3号单晶4号单晶多晶串联多晶并联单晶串联单晶并联开路电压（V）短路电流（mA）功率P（mW）七、注意事项1. 红黑线的串并联过程中， 需要将红线或黑线插入需要连接的线 头中间的插孔。2. 白炽灯带高压， 拆卸时需将电源关闭， 不要带电插拔电源机箱后方的航空插头。东华理工大学八可行性分析（1）原理分析： 通过测量太阳能电池的功率与负载电阻之间的关 系，找出串并联电池对其功率的影响，并找出电阻对其影响，原理可 行。（2）物理可测性：电池电源不超过 5V，故其功率 R 电流、电压 均可通过实验室的仪表测量出来， 光照强度是仪表上有刻度的无需测 量。所有物理测量都可以在实验室测得，所以实