实验十二 新能源系统综合特性实验

新能源系统综合特性实验《大学物理实验》实验十二目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究新能源无人机应用01实验导入长航时静音混合动力氢能源无人机该无人机创新采用"太阳能+氢燃料电池+锂电池"多能源协同供能模式，通过机翼铺设的高效太阳能电池持续获取太阳能，在飞行过程中实时为机载设备供电并利用富余电能储能；当夜间或光照不足时，由氢燃料电池持续输出电能，保证无人机长时间稳定飞行。长航时混合动力氢能源无人机成功完成首飞多能源协同供能系统是现代新能源技术的重要发展方向太阳能供电氢燃料电池超级电容储能在高空复杂飞行环境中，无人机既面临昼夜光照交替，又面临突发气流带来的大功率输出需求。单一光伏难以应对所有负荷，需要超级电容进行功率补偿。通过太阳能电池充电实验、DC-DC匹配电源与负载电压实验，掌握不同光照条件下的充电特性与效率差异，精准调校电能分配枢纽，实现多能源协同高效供能。光伏效应年太阳能电池(SolarCell)光电转换器件太阳能电池基于光生伏特效应，将太阳光能直接转换为电能。当光子入射到PN结时，能量大于禁带宽度的光子被吸收，产生电子-空穴对；在内建电场作用下，电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光生电动势。光生伏特效应太阳能电池工作原理04实验原理是光照射金属或半导体材料时引起电子逸出的物理现象,是现代量子物理学的重要基础,也是光伏发电、新能源利用和可再生能源技术的重要组成部分。光伏效应PN结年PN结内建电场(Built-inElectricField)电荷分离机制PN结中由于P区和N区载流子浓度差异，形成从N区指向P区的内建电场。光生电子-空穴对在内建电场作用下分离，电子被推向N区，空穴被推向P区，在PN结两端形成光生电压，外接负载时即产生电流。子化的基本特征,载流子分离新能源发展背景02实验背景能源转型随着化石能源不断消耗，开发清洁、高效、可再生能源已成为全球能源技术发展的重要方向。光伏效应1839年法国物理学家贝克勒尔发现光伏效应，首次揭示太阳能直接转换为电能的物理机制。燃料电池1839年英国科学家格罗夫发明燃料电池，通过电化学反应将氢能转化为电能，构建"电能—氢能—电能"循环。实验目标掌握新能源系统基本工作原理和综合特性，开展伏安特性测量、法拉第定律验证、极化曲线测定及组件遮挡分析等实验。系统集成集成太阳能电池板、质子交换膜燃料电池与电解池、超级电容等核心模块，构建"光能—电能—氢能—电能"能量转换闭环。新能源实验目标03实验目的了解燃料电池和太阳能电池基本构造与工作原理，认识光能、电能、氢能及机械能之间的能量转换过程。能量转换原理认知01理解电解池与燃料电池特性，绘制伏安特性曲线，测定开路电压、最大输出功率及转化效率等参数。燃料电池特性测量02探究太阳能电池光电转换性能，绘制伏安特性曲线，测定开路电压、短路电流等特性参数。太阳能电池性能探究03分析局部遮挡对太阳能电池输出的影响，理解失配效应与热斑效应，掌握新能源系统综合特性。遮挡影响与系统分析04燃料电池结构与伏安特性规律04实验原理燃料电池结构燃料电池工作的基本规律阳极反应：氢气在阳极催化层作用下解离为2个氢离子和2个电子，阳极聚集负电荷成为电池负极。阴极反应：氧气在阴极催化层作用下与氢离子和电子反应生成水，阴极聚集正电荷成为电池正极。伏安特性：改变负载电阻测量输出电压与电流关系，分为电化学极化区、欧姆极化区和浓差极化区。理想电动势为1.48V，实际开路电压低于理想值，输出功率等于电压与电流乘积，存在最大功率点。燃料电池效率与燃料利用率和输出电压有关，应根据伏安特性曲线选择适当负载匹配，使效率与功率达到最大。说明：总化学反应为氢气与氧气反应生成水，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，电子经外电路输出电流。质子交换膜电解池工作原理04实验原理质子交换膜电解池由阳极、阴极和质子交换膜组成。在阳极侧，水在催化剂作用下发生氧化反应生成氧气、质子和电子；质子通过质子交换膜从阳极迁移到阴极，电子经外电路到达阴极；在阴极侧，质子与电子结合生成氢气。量克服金属表面吸引力，剩余能量成为其离开金属表面后的动能。电解水反应电极反应式将燃料电池的阴极接到电源正极，形成电解的阳极，在其上发生的氧化反应为在燃料电池的阳极接到电源负极，形成电解的阴极。阳极反应产生的氢离子通过质子交换膜迁移至阴极，并在阴极得到电子发生还原反应。因此，燃料电池的阴极析出氧气，阳极析出氢气，可得实验仪主机燃料电池与太阳能装置新能源系统综合特性实验仪05实验仪器新能源系统综合特性实验仪由光源及太阳能电池板、实验仪主机、燃料电池装置等组成集成多源发电、储能与能量管理于一体，使学生掌握新能源系统基本工作原理和综合特性。图12-12新能源系统综合特性实验仪1—实验仪主机2—燃料电池装置3—太阳能电池应用装置4—光源及太阳能电池板5—电阻箱实验仪主机可测量电流、电压，设有电流表模块（2A/200mA双量程）、电压表模块（20V/2V双量程）和电流调节模块（0~350mA恒流输出）。燃料电池装置由电解池、燃料电池、气水塔及连接管路组成；太阳能电池装置包含直流风扇、LED灯、超级电容、逆变器和DC-DC模块等。实验准备与电解池测量06内容与步骤打开燃料电池装置全部管夹，往气水塔注入去离子水至水位上限，盖上气水塔盖并关闭水管夹。用专用连接线将实验仪主机恒流输出端与燃料电池装置电解池输入端连接，红黑线与对应接口连接。0304关闭H₂和O₂管夹，将恒流输出调至最大使电解池快速产气，待液面稳定后打开管夹排出空气，重复2~3次。给实验仪主机通电预热至少10min，按表12-1设定输入电流，待稳定后测量输入电压和产生规定体积氢气所需时间。0102实验准备质子交换膜电解池的特性测量06内容与步骤确认气水塔水位在水位上限与下限之间。将测试仪的电压源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。将气水塔输气管止水夹关闭，调节恒流源输出到最大，让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排出气水塔下层的空气。调节恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭气水塔输气管。测量输入电流，电压及产生一定体积的气体的时间。06内容与步骤在一定的温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池的输出电压与输出电流之间的关系，如下图所示。电化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电压作纵坐标，电流作横坐标。燃料电池输出特性的测量新能源实验注意事项07注意事项02气水塔中去离子水液位应始终保持在规定范围内，既不低于最低水位线也不高于最高水位线，以保证质子交换膜燃料电池正常工作。04当输出电流超过210mA时每次减小电阻0.5Ω，超过240mA时每次减小0.2Ω，每次调节后等待约1min待参数稳定后再读数。0601加注去离子水时应打开水管夹使两气水塔液位保持一致；实验过程中必须关闭水管夹，防止两气水塔之间气体和液体相互流通影响实验结果。03测量燃料电池输出特性时，调节电阻箱应逐步减小阻值，严禁一次性调得过低，以免输出电流瞬间过大影响电池稳定工作。05进行局部遮挡实验时，长时间纵向遮挡会导致电池内部消耗电能转化为热能形成热斑效应，对电池片造成损坏，做完后应立刻取走遮挡板。实验结束后断开电解池输入电源，关闭H₂管夹和O₂管夹，整理实验设备，保持实验台面整洁，关闭实验仪主机和光源电源。08实验记录表12-1电解池的特性测量表12-2燃料电池的输出特性测量输入电流I/A输入电压U/V时间t/s电量It/CH2产生量测量值/mLH2产生量理论值/mL相对误差参考输出电压/mV开路900875850825800775750725712700675625···输出电压/mV输出电流/mA输出功率/mW新能源实验数据处理09数据分析电解池特性与法拉第定律验证由表12-1实验数据分析不同输入电压和电流下H2产生量与通过电解池电量的关系，若近似成正比且理论值与测量值基本一致，则说明实验结果符合法拉第电解定律。1燃料电池伏安特性与效率由表12-2数据绘制燃料电池伏安特性曲线和输出功率-电压曲线，找出最大输出功率及对应电压电流，计算能量转换效率，分析最佳工作区间。2太阳能电池输出特性由表12-3数据绘制太阳能电池伏安特性曲线和输出功率-电压曲线，计算最大输出功率Pm、最大功率点电压Um、电流Im和填充因子FF。3遮挡影响与带负载分析由表12-4分析纵向和横向遮挡对输出影响的异同；由表12-5计算太