太阳能电池对储能装置两种方式充电实验(实验报告)

光伏工程实验报告

实验名称：太阳能电池对储能装置两种方式充电实验学院：材料科学与工程学院

专业：应用物理

指导教师：

报告人：学号：1班级：

实验时间：2015/1/5

实验报告提交时间：2014/12/

一、实验目的

1. 了解超级电容放电的实验；

2. 了解太阳能组件直接对超级电容充电的实验；

3. 了解太阳能组件加DC-DC模块后对超级电容充电实验；

4. 熟悉恒压和恒定功率计算充电效率的方法；

5. 通过对两组实验结果进行比较，找出实现最佳充电效率的方法。

二、实验原理

1．DC-DC模块

DC-DC为直流电压变换电路，能将直流电压

转换为直流电压，相当于交流电路中的变压器，就

是相当于我们平常使用的电源充电器，最基本的

DC-DC变换电路如图1所示。

图1中，Ui为电源，T为晶体闸流管，uC为

晶闸管驱动脉冲，L为滤波电感，C为电容，D为

续流二极管，RL为负载，uo为负载电压。调节晶

闸管驱动脉冲的占空比，即驱动脉冲高电平持续时

间与脉冲周期的比值，即可调节负载端电压。

DC-DC的作用：

当电源电压与负载电压不匹配时，通过

DC-DC调节负载端电压，使负载能正常工作。本实

验的太阳能组件输出电压可以超过10V，而超级电

容器的额定电压为3V左右，因此需要用到DC-DC

模块进行电压的转换。

通过改变负载端电压，改变了折算到电源端的等效负载电阻，当等效负载电阻与电源内阻相等时，电源能最大限度输出能量。

在本实验中，DC-DC模块用于控制太阳能电池，使其始终以最大限度输出能量，保证以恒定功率输出。

2.超级电容

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形

成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大当超级电容所加电压低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态。如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。超级电容充电时不应超过其额定电压。

超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的。与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器可以反复充放电数十万次。它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

3.充电效率计算

电池充电效率：电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比，称之为充电效率。计算公式：

电池充电效率 = 放电电流×放电至截止电压所

需时间× 100%充电电流×充电时间

电容充电效率：充电效率主要取决于超级电容能够将光伏电池产生的多少能量储存进超级电容中。计算公式：

Wc为充电功率

Wi 可以近似为电池输出功率

Rs 为等效串联电阻

Vc是超级电容两段电压

Ec是超级电容吸收的能量

Ei是充电电路注入的能量

但是，由于实验仪器和操作的误差，可能使得实验的结果跟理论的数值有一定的差距，下面给出的是理论上的两种充电方式的充电效率计算方法：

恒压充电：

1

(1)

2

s

T

R C

c

i

E

e

E

η-

==-

恒定功率充电：

22

1

()

2cT c

c

i i

C V V

E

E PT

η

-

==

三、实验仪器

实验装置如图2所示，由太阳能电池组件、实验仪和测试仪3部分组成。图3为测试仪面板图。测试仪是为太阳能电池实验的基本型配套的，能测量电压、电流和光强这些参数，但是由于只要测试功率P,所以只用测试仪的电压，电流表。

本次实验所用组件及其参数如下：

太阳能电池：单晶硅太阳能电池，标称电压12V，标称功率3W

光源：150W碘钨灯，为保证太阳能电池因过热损坏，使用时调节至离太阳能电池最远

负载组件：0～1KΩ，2W

DC-DC：升降压DC-DC，输入5～35V，输出1.5～17V，1A

超级电容：2.3F，12V

电压表：0～20V，0～2V

电流表：0～2mA，0～200mA

图2 太阳能电池应用实验装置

图3 太阳能测试仪面板图

四、实验内容、步骤及注意事项

实验前准备

1.对超级电容放电

按照图4，将负载组件（可调电阻）接入超级电容放电，控制放电电流小于150mA ，使电容电压放至低于1V 。 注意事项：

（1）连接电路前，先把电流表和电压表的量程分别置 于200mA 和20V 档。

（2）连接电路前，负载组件电阻要调至最大。

（3）放电过程中，缓慢降低负载电阻，控制放电电流小于150mA 。直到电容电压放制低于1V 。（实验过程中，可使电阻为0，电流将至2.0mA 以下。）

图4 A

超级电

V

图6 太阳能电池输出伏安特性

A

V

图10a 超级电容放电

A

V

图10b 太阳电池直接充电 A V V

太阳能电池

超级电容

（4）由于超级电容器放电需要一定的时间，所以大家不能太过着急，电阻不能降低太快，防止电流表爆表，损坏电

流表。 2、测量太阳能电池的输出伏安特性

按图5接线，以负载组件作为太

阳能电池的负载。实验时先将负载组件逆时针旋转到底，然后顺时针旋转负载组件旋钮，记录太阳能电池的输出电压U 和电流I,并计算输出功率P0=U ×I ，填于表1中。

表1 太阳能电池输出伏安特性

输出电压V (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10.5 11 11.5 12 输出电流I (mA) 输出功率P 0(mW)

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。记录最大输出功率对应电

压值。太阳能电池具有图6所示的输出伏安特性。负载电阻为零时的电流称为短路电流，即伏安特性曲线与纵轴的交点。负载电阻断开时的电压称

为开路电压，即伏安特性曲线与横轴的交点。

太阳能电池的输出功率为电压与电流的积，在伏安特性曲线的不同点，输

出的功率差异大。在实际应用中，应使负载功率与太阳能电池匹配，以便输出最大功率，充分发挥太阳能电池功效。 实验内容

1.太阳能电池直接对超级电容充电

（1）先如图7连接好电路。

（2）由读秒的同学负责打开碘钨灯并开始计

时。

A V

图7 测量太阳能电池输出伏安特性接线图 太阳能电

池

5 测量太阳能电池输出伏安特性接线图

图7