太阳能电池特性及应用实验仪实验指导说明书

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：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥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－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℃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0.3—0.5mm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＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——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5－10％（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80－90％，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

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P O=V×I，填于表1中。

图2 测量太阳能电池板输出伏安特性原理图

输出电压V(V) 3 4 5 6 7 8 9 9.5 10 10.5 11.0 11.5 12.0 输出电流I(mA)

输出功率P O(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) 输出电压(V) 输出电流 (mA)

实验二 太阳能电池充电储能应用实验

实验原理

1.超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor ），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、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)

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 7.5 8 8.5 9 9.5 10

太阳能电池

超级电容

V

太阳能电池

超级电容 V

A

A 、电池片直接带载

B 、增加负载匹配模块

A 匹配负载