1、第 8 頁(yè) 太陽(yáng)能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說(shuō)明書太陽(yáng)能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀電池行業(yè)是世紀(jì)的朝陽(yáng)行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中，最沒(méi)有污染、市場(chǎng)空間最大的應(yīng)該是太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池的研究與開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛重視。照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類一年的能量消費(fèi)。可以說(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡，用之不竭的能源。而且太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為最理想的能源。從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。 它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)： 無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近

2、發(fā)電；能源質(zhì)量高；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。 要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。 太陽(yáng)能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn)行，所以它適合于各家各戶分散進(jìn)行發(fā)電，而且要聯(lián)接到供電網(wǎng)絡(luò)上。應(yīng)用舉例：1.光伏并網(wǎng)發(fā)電。其應(yīng)用范圍十分廣闊，覆蓋著從幾瓦、幾十瓦的小型便攜式電源直到幾兆瓦的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)在太陽(yáng)能照明以及通信系統(tǒng)、水文觀測(cè)系統(tǒng)、氣象和地震臺(tái)站等中得到了廣泛的應(yīng)用。2.太陽(yáng)能路燈 3. 太陽(yáng)能電話。巴黎伏德瓦特公司制作的太陽(yáng)能收費(fèi)公用電話，耗電量極低，只要在陽(yáng)光下充電幾小時(shí)，便足夠使用多天。 4. 太陽(yáng)能

3、冰箱。印度研制出一種倉(cāng)庫(kù)用的大型太陽(yáng)能冰箱，上部裝的拋物線鏡面將陽(yáng)光集中在半導(dǎo)體網(wǎng)孔上，把光轉(zhuǎn)換成電流，箱內(nèi)溫度保持在，可冷藏公斤食品，每天還可制出公斤冰來(lái)。 5. 太陽(yáng)能空調(diào)器。日本夏普電器公司制造的這種空調(diào)裝置，當(dāng)天氣晴朗時(shí)，全部動(dòng)力都由陽(yáng)光供給，多云或陰天時(shí)才使用一般電源。期間的轉(zhuǎn)換由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，用它可使一間平方米的居室室溫保持在左右，并較一般空調(diào)器節(jié)約電費(fèi)以上。 6. 太陽(yáng)能電視機(jī)。芬蘭研制的太陽(yáng)能電視機(jī)只要白天把半導(dǎo)體硅光電池轉(zhuǎn)換器放在有陽(yáng)光的窗臺(tái)上，晚上不需電源便可觀看電視。轉(zhuǎn)換器貯存的電能，可供工作電壓為伏的電視機(jī)使用至小時(shí)。7. 太陽(yáng)能照相機(jī)。日本制作的世界上第一架太陽(yáng)能

4、照相機(jī)，重量?jī)H有克，機(jī)內(nèi)裝有先進(jìn)的太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，其蓄電池可連續(xù)使用年。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 在熟悉太陽(yáng)能電池基本特性的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)并掌握太陽(yáng)能電池的應(yīng)用原理。2、 了解并掌握太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成及工程應(yīng)用方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 太陽(yáng)能電池板輸出伏安特性測(cè)試。2、 太陽(yáng)能電池帶載應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。3、 太陽(yáng)能電池充電儲(chǔ)能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。4、 太陽(yáng)能電池實(shí)時(shí)輸出應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。5、 太陽(yáng)能電池電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置如下圖1所示：有3部分組成：光源、實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀組成。圖1.太陽(yáng)能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽(yáng)光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽(yáng)能電池之間的距離可以改變照射到太陽(yáng)能電池上的光功率，具體數(shù)值由光功率計(jì)

5、測(cè)量。測(cè)試儀為測(cè)量并顯示電流、電壓、以及光功率的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)儀操作平臺(tái)元器件：超級(jí)電容和鉛蓄電池為儲(chǔ)能模塊；匹配負(fù)載、DC-DC模塊、逆變升壓器為太陽(yáng)能電池輸出調(diào)整模塊；12V直流風(fēng)扇、12VLED燈和AC220節(jié)能燈為太陽(yáng)能電池的負(fù)載模塊。實(shí)驗(yàn)原理 硅太陽(yáng)能電池的外形及基本結(jié)構(gòu)如圖1。其中基本材料為P型單晶硅，厚度為0.30.5mm左右。上表面為N+型區(qū)，構(gòu)成一個(gè)PN結(jié)。頂區(qū)表面有柵狀金屬電極，硅片背面為金屬底電極。上下電極分別與N區(qū)和P區(qū)形成歐姆接觸，整個(gè)上表面還均勻覆蓋著減反射膜。 當(dāng)入發(fā)射光照在電池表面時(shí)，光子穿過(guò)減反射膜進(jìn)入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在N+區(qū)，PN結(jié)空間電荷區(qū)和P區(qū)

6、中激發(fā)出光生電子空穴對(duì)。各區(qū)中的光生載流子如果在復(fù)合前能越過(guò)耗盡區(qū)，就對(duì)發(fā)光電壓作出貢獻(xiàn)。光生電子留于N區(qū)，光生空穴留于P區(qū)，在PN結(jié)的兩側(cè)形成正負(fù)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，此為光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光伏電池兩端接負(fù)載后，光電池就從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū)，負(fù)載中就有功率輸出。 太陽(yáng)能電池各區(qū)對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感型是不同的。靠近頂區(qū)產(chǎn)生陽(yáng)光電流對(duì)短波長(zhǎng)的紫光（或紫外光）敏感，約占總光源電流的510（隨N區(qū)厚度而變），PN結(jié)空間電荷的光生電流對(duì)可見(jiàn)光敏感，約占5 左右。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光電流對(duì)紅外光敏感，占8090，是光生電流的主要組成部分。實(shí)驗(yàn)一 太陽(yáng)能電池板輸出伏安特性測(cè)試按圖2接線，以匹配負(fù)載作為太陽(yáng)

7、能電池的負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動(dòng)支架固定在某一個(gè)高度），實(shí)驗(yàn)時(shí)先將匹配負(fù)載旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，通過(guò)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)匹配負(fù)載，記錄太陽(yáng)能電池的輸出電壓V和電流I,并計(jì)算輸出功率PO=V×I，填于表1中。圖2 測(cè)量太陽(yáng)能電池板輸出伏安特性原理圖表1 太陽(yáng)能電池板輸出伏安特性輸出電壓V(V)34567899.51010.511.011.512.0輸出電流I(mA)輸出功率PO(mW)繪制太陽(yáng)能電池片的輸出伏安特性曲線；以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，作太陽(yáng)能電池輸出功率與輸出電壓關(guān)系曲線。找出最大輸出功率點(diǎn)，記錄下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓和電流。最大輸出功率(mW)輸出電壓(V)輸出

8、電流 (mA)實(shí)驗(yàn)二 太陽(yáng)能電池充電儲(chǔ)能應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理1.超級(jí)電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。 超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。超級(jí)電

9、容的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。 圖5：超級(jí)電容原理 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容太陽(yáng)能電池超級(jí)電容V太陽(yáng)能電池超級(jí)電容VAA、電池片直接帶載B、增加負(fù)載匹配模塊A匹配負(fù)載實(shí)驗(yàn)A中將電池片的輸出直接接入超級(jí)電容，記錄電池片兩端的電壓值與電流值隨著時(shí)間的變化，觀察其變化情況；表3. 充電過(guò)程中超級(jí)電容兩端的電壓和電流值時(shí)間（min）電池片電壓(V)負(fù)載電流(mA)該時(shí)刻超級(jí)電容的充電功率(mW)0.511.522.533.544.555.567.588.599.510實(shí)驗(yàn)B中將電池片與負(fù)載之間加入匹配負(fù)載，先調(diào)節(jié)好匹配負(fù)載，使得電池片處于最大功率輸出點(diǎn)，觀

10、察并記錄超級(jí)電容兩端的電壓與電流；表4. 增加匹配負(fù)載后，充電過(guò)程中超級(jí)電容兩端的電壓和電流值時(shí)間（min）電池片電壓(V)負(fù)載電流(mA)該時(shí)刻超級(jí)電容的充電功率(mW)0.511.522.533.544.555.566.577.588.599.51010.511（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)A得到超級(jí)電容的充電特性。 （2）比較A、B實(shí)驗(yàn)中超級(jí)電容兩端的電壓和電流值，分析其異同的原因。思考：實(shí)際應(yīng)用中，充電時(shí)間、儲(chǔ)能量和充電效率等因素對(duì)使用電池的系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)三 太陽(yáng)能電池帶負(fù)載應(yīng)用實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)能電池片的負(fù)載曲線如圖3，在實(shí)際帶載中（實(shí)驗(yàn)A）若電池的輸出點(diǎn)在A點(diǎn)，而電池片的輸出最大功率點(diǎn)在B點(diǎn)。

11、此時(shí)的功率差異為（面積-面積），此功率則被電池片自身消耗掉；若改變實(shí)際負(fù)載的阻值，使得電池片的輸出阻值在B點(diǎn)時(shí)，則使得電池片發(fā)揮最大的功效。 太陽(yáng)能電池匹配負(fù)載實(shí)際負(fù)載VinVoutIinIout圖3：電池片的負(fù)載特性曲線 圖4：匹配負(fù)載原理在太陽(yáng)能電池片和實(shí)際負(fù)載之間配置一個(gè)匹配負(fù)載，如圖4所示。該匹配負(fù)載在太陽(yáng)能伏電池和實(shí)際負(fù)載之間起電壓適配作用，其輸出電壓Uout與輸入電壓Uin之比可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，還可以通過(guò)改變等效輸入阻抗Rin，使太陽(yáng)能電池達(dá)到最大功率。在工作過(guò)程中，控制匹配負(fù)載，就可以改變光伏電池的等效負(fù)載，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池片的最大功率輸出。匹配負(fù)載實(shí)質(zhì)為開(kāi)關(guān)電源（DC-DC模

12、塊），其自身的功耗、轉(zhuǎn)換率會(huì)影響整個(gè)太陽(yáng)能電池的利用率；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容太陽(yáng)能電池匹配負(fù)載實(shí)際負(fù)載V太陽(yáng)能電池實(shí)際負(fù)載VAA、電池片直接帶載B、增加負(fù)載匹配模塊A實(shí)驗(yàn)A中將電池片的兩端輸出直接接入負(fù)載（DC12V風(fēng)扇），記錄電池片兩端的電壓值與電流值；實(shí)驗(yàn)B中將電池片與負(fù)載之間加入匹配負(fù)載，并調(diào)節(jié)匹配負(fù)載觀察電池片兩端的電壓與負(fù)載端的電流；將該電壓值調(diào)整到太陽(yáng)能電池片的最大輸出功率對(duì)應(yīng)的電壓值，將此時(shí)的電壓值與電流值記錄到表2中；表2.實(shí)際負(fù)載的電壓和電流值實(shí)驗(yàn)內(nèi)容電池片電壓(V)流過(guò)負(fù)載電流(mA)負(fù)載兩端的電功率(mW)直接帶載（實(shí)驗(yàn)A）增加匹配負(fù)載模塊（實(shí)驗(yàn)B）思考：比較實(shí)驗(yàn)A與實(shí)驗(yàn)B中增加匹配

13、負(fù)載前后，實(shí)際負(fù)載兩端電功率的變化，分析匹配負(fù)載的作用。擴(kuò)展：1.對(duì)于實(shí)驗(yàn)A,通過(guò)改變燈源距離太陽(yáng)能電池的距離觀察LED的亮度或者風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，總結(jié)出變化規(guī)律，并思考變化的原因。2.更換接入負(fù)載為DC12VLED燈，按上述實(shí)驗(yàn)步驟完成上述實(shí)驗(yàn)。比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的異同，分析匹配負(fù)載的作用。3.自行搭建電路完成匹配負(fù)載消耗功率與太陽(yáng)能電池輸出總功率的比值的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)四 太陽(yáng)能電池實(shí)時(shí)輸出應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容太陽(yáng)能電池匹配負(fù)載實(shí)際負(fù)載V圖6. 實(shí)時(shí)輸出應(yīng)用A鉛蓄電池DC模塊A、實(shí)驗(yàn)按圖6進(jìn)行搭建實(shí)物，檢查完畢后調(diào)節(jié)匹配負(fù)載和DC模塊使得負(fù)載工作；然后調(diào)節(jié)匹配負(fù)載，使得電池片兩端的電壓由小變大（3V-12V）和

14、由大變小，將流經(jīng)實(shí)際負(fù)載的電流記錄到表5中；表5.實(shí)際負(fù)載兩端的電壓和電流值輸出電壓V(V)3456789101112輸入電流I(mA)B、按圖6去除電路中的鉛蓄電池，調(diào)節(jié)匹配負(fù)載，使得電池片兩端的電壓由小變大（3V-12V）和由大變小，記錄流經(jīng)實(shí)際負(fù)載的電流到表6；表6.實(shí)際負(fù)載兩端的電壓和電流值輸出電壓V(V)3456789101112輸入電流I(mA)比較實(shí)驗(yàn)A與實(shí)驗(yàn)B中電流的變化激烈程度，分析引起問(wèn)題的原因和鉛蓄電池在此系統(tǒng)中的作用。實(shí)驗(yàn)五 太陽(yáng)能電池電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容太陽(yáng)能電池交流負(fù)載V圖7. 電網(wǎng)應(yīng)用：儲(chǔ)能-交流輸出鉛蓄電池逆變升壓器A匹配負(fù)載DC模塊 實(shí)驗(yàn)搭建太陽(yáng)能實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)：太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能逆變升壓電網(wǎng)供電的應(yīng)用模型；太陽(yáng)能電池片通過(guò)調(diào)節(jié)匹配負(fù)載使得在此光強(qiáng)下的最大功率輸出點(diǎn)，然后調(diào)整DC模塊的電壓輸出使得其電壓輸出最大時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，最后將蓄電池的低壓直流電通過(guò)逆變升壓器轉(zhuǎn)換成交流22