太阳能电池特性及应用实验仪实验指导说明书全解

1、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：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源

2、质量高；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

3、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，箱内温度保持在一2,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°C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

4、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

5、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0.30.5mm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+

6、结空间电荷区和P区中激发出光生电子一一空穴对。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510%（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8090%，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

7、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PO=VxI,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输出电压V(V)34567899.51010.511.011.512.0输出电流I(mA)输出功率PO(mW)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。最大输出功率(mW)输

8、出电压(V)输出电流(mA)实验原理实验二太阳能电池充电储能应用实验1. 超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、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

9、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时间(min)电池片电压(V)负载电流(mA)该时刻超级电容的充电功率(mW)0.511.522.533.544.555.567.588.599.510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时间（

10、min）电池片电压（V）负载电流（mA）该时刻超级电容的充电功率（mW）0.511.522.533.544.555.566.577.588.599.51010.511（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（面积面积），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

11、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

12、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实验内容电池片电压（V）流过负载电流（mA）负载两端的电功率（mW）直接带载（实验A）增加匹配负载模块（实验B）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

13、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图6.实时输出应用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输出电压V(V)3456789101112输入电流I(mA)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输出电压V(V)3456789101112输入电流I(mA)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、内容图7.电网应用：储能-交流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