太阳能光伏电池方阵组成工作原理及设计.doc

太阳能光伏电池方阵组成工作原理及设计1-1太阳能电池板开路电压测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用 2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的输出电压特性 2、了解电池板的开路电压(Voc)概念原理太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射直接转换为电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池开路电压Voc,是指将太阳能电池置于100mW/cm的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。开路电压测试时，是指太阳能电池不接负载，输出端直接输出电压，即可以理解为太阳能电池输出端接近于无穷大的电阻，可以用高内阻的直流毫伏表进行测试。注意事项1、 操作时请不要直接用手触摸裸露的元器件。2、 请勿带电插拔元器件，否则容易造成元器件损坏。3、 请保持实验区干净整洁，防止金属物体接触到裸露器件，造成短路。4、 通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏器件。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。 2、打开“光源开关”开关，观察太阳灯是否点亮。3、移动投光灯的距离，仔细观察实验台上的 “电压表”的值，也可以看触摸屏上“光伏电压表”上的数值。记录下其中的最大值即为太阳能电池板的“最大开路电压”。距离（cm）8070605040302010电压（V）图（21）1-2太阳能电池板短路电流测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容1、了解太阳能电池板的短路电流特性2、了解电池板的短路电流(Isc)概念原理短路电流Isc，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出短路时流过太阳能电池两端的电流。注意事项1、 操作时请不要直接用手触摸裸露的元器件。2、 请勿带电插拔元器件，否则容易造成元器件损坏。3、 请保持实验区干净整洁，防止金属物体接触到裸露器件，造成短路。4、 通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏器件。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。 2、打开“光源开关”开关，观察太阳能电池板。3、仔细观察实验台上的 “电流表”的值，同时可以观察触摸屏“光伏电流表“的显示，记录下其中的最大值即为太阳能电池板的“最大短路电流”。距离（cm）8070605040302010电流（mA）图（1-2）1-3太阳能电池板I-V特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池的电流电压特性。 2、了解太阳能电池板的伏安特性曲线（I-V）概念。原理测量太阳能电池输出特性中电流和电压关系。太阳能电池是一个限功率的电源。根据光照情况的不同，其输出功率是变化的。太阳能电池在带载时，如果电流增大,电压是下降的,在不同的光照条件下，通过调整负载电流，测试电压输出特性。注意事项1、操作时请不要直接用手触摸裸露的元器件。2、请勿带电插拔元器件，否则容易造成元器件损坏。3、请保持实验区干净整洁，防止金属物体接触到裸露器件，造成短路。4、通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏器件。步骤1、 在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“总电源开关“、“电源开关”开关、，调整好太阳能电池板与投光灯的距离。3、将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表中，同时也可以打开触摸屏旁“电源开关“看光伏电流表、光伏电压表的显示数字。电阻值（欧）01002003004005006007008009001K10K电流（mA）电压（V）图（1-3） 4、根据表格电压电流值画出太阳能电池的伏安特性曲线图。1-4太阳能电池板最大输出功率计算目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容1、了解太阳能电池板的最大输出功率特性2、了解电池板的最大输出功率(Pmax)概念原理太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最大输出功率,用符号Pm 表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流,分别用符号Um 和Im 表示,Pm = Um Im 。注意事项1、操作时请不要直接用手触摸裸露的元器件。2、请勿带电插拔元器件，否则容易造成元器件损坏。3、请保持实验区干净整洁，防止金属物体接触到裸露器件，造成短路。4、通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏器件。步骤1、 熟练掌握最大输出功率公式如下：Pmax=VmaxImax 2、将实验（1-3）表格中的电压数据乘以电流数据再除以1000（电流以mA为单位），得出最大数据即为太阳能电池板的最大输出功率。 3、根据表格电压电流值画出太阳能电池的最大输出功率曲线图。1-5太阳能电池板填充因子计算目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的填充因子特性 2、了解电池板的填充因子(FF)概念原理太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF ,他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比: FF = FF 是衡量太阳能电池输出特性的重要指标, 是代表太阳能电池在带最佳负载时, 能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF 的值始终小于l 。步骤1、 熟练掌握太阳能电池板的填充因子公式如下：FF = 2、将实验1-1、1-2、1-3实验中的数据代入上公式中，计算出电池板的填充因子。 3、填充因子是表征太阳能电池板的性能优劣的重要参数。其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.75-0.8之间。1-6太阳能电池板转换效率测量目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容1、了解太阳能电池板的转换效率特性 2、了解电池板的转换效率s(%)概念原理太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比:s(%)=100%步骤1、 掌握太阳能电池板的转换效率公式如下：s(%)=100% 2、公式中Pmax为太阳能电池板的最大输出功率，Pin为入射到太阳能电池板表面的光功率。 其中Pin要自备光功率计才能测得。 3、单晶硅的转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的转换效率在15%左右。 4、理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长。而开路电压在入射光功率增加时只略微增加。如下图所示；1-7太阳能电池板P-V特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池的功率电压特性。 2、了解太阳能电池板的伏安特性曲线（P-V）概念。注意事项1、电流表需要串联，电压表需要并联。2、通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏器件。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关控”开关”。察太阳能电池板与投光等距离。3、将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表中。电阻值（欧）01002003004005006007008009001K10K电流（mA）电压（V）功率（mW）根据表格电压电流值画出太阳能电池的P-V特性曲线图。1-8太阳能电池板的暗伏安特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的暗伏安特性特性 2、了解电池板的暗伏安特性概念原理太阳能电池是依据光生伏特效应把光能转化为电能的半导体器件，如果没有光照，太阳能光伏电池等价于一个PN结，通常把无光照情况下太阳能光伏电池的电流电压特性叫做暗伏安特性。近似地，可以把光照情况下的太阳能光伏电池等价成一个理想的PN结。注意事项1、实验时请不要直接用手触摸裸露的元器件。2、请勿带电拔插选器件，否则容易造成元器件损坏。3、要给自备的稳压电源调到合适的电压电流，太高容易造成元器件损坏。4、通电之前，确保电路连接正确，防止烧坏元器件。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。 2、用遮光板完全遮挡住太阳能电池板的表面，将电阻箱的阻值调节到50。 3、将自备“可调稳压电源”的电压调至0V，然后逐渐增大输出电压，每隔0.5V记录一次电流值于下表中。4、将“可调稳压电源”的电压调至0V，交换“可调稳压电源”输出接口的红黑线。即给太阳能电池板加反向电压，逐渐增大反向输出电压，每隔0.5V记录一次电流值于下表中。电压（V）32.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5-3电流（mA）5、根据表格电压电流值画出太阳能电池的暗伏安特性曲线图。1-9太阳能电池组件输出特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池的电流电压特性。 2、了解太阳能电池组件的输出特性概念。原理太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。目前太阳能电池板有单晶硅、多晶硅和非晶硅等多种分类。（1）单晶硅太阳能电池的光电转换效率为17%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，目前厂商一般都提供25年的质量保证。 （2）多晶硅太阳能电池 的制作工艺与单晶硅电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约15%左右 (尚德电力在Intersolar Europe 2011展会中推出一款名为STP250S-20/Wd+ BlackPearl(黑珍珠)的新一代高效光伏组件。转换效率15.2%。)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。 （3）非晶硅太阳能电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关”开关，确定太阳能电池板与投光灯的距离。3、将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表中电阻值（欧）01002003004005006007008009001K10K电流（mA）电压（V）功率（mW） 4、根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率。1-10串联电阻对填充因子的影响测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的串联电阻对填充因子的影响特性 2、了解电池板的串联电阻的概念步骤 1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关“开关。 3、将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表中。同时也可以打开触摸屏开关，观察光伏电流表、光伏电压表的值。4、根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率填入下表中，并对电阻箱值为 “0”时的功率进行比较。分析串联电阻对填充因子的影响。 电阻值（欧）01002003004005006007008009001K10K电流（mA）电压（V）输出功率（mW）1-11并联电阻对填充因子的影响测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的并联电阻对填充因子的影响特性 2、了解电池板的并联电阻的概念步骤 1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关”开关，确固定定投光灯与太阳板的距离。 3、将电阻箱调节如下几组阻值，并记录下每个刻度的电压、电流值于下表中。4、根据表格电压电流值计算出电池板的输出功率填入下表中，并与电阻箱值为 “0”时的功率进行比较。分析并联电阻对填充因子的影响。 电阻值（欧）01002003004005006007008009001K10K电流（mA）电压（V）输出功率mW1-12太阳能电池光谱特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池的光谱特性。 2、了解太阳能电池光谱概念。原理光谱特性：太阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱特性。光谱特性通常用收集效率来表示；所谓收集效率就是用百分数（% ）来表示一单位的光（一个光子）入射到太阳能电池上，产生多少电子（和空穴）。一般而言，一个光子产生的电子（和空穴）数目是小于1的。光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的短路电流，即反映了电池的光谱特性。单晶硅太阳能电池的光谱特性：单晶硅太阳能电池的特点是对于大于0.7um 的红外光也有一定的灵敏度。以p型单晶硅为衬底，其上扩散n型杂质的太阳能电池与n型单晶硅为衬底的太阳能电池相比，其光谱特性的峰值更偏向左边 （短波长一方）。另外，对于前面介绍过的紫外光太阳能电池，它对从蓝到紫色的短波长（波长小于0.5 um ）的光有较高的灵敏度，但其制法复杂，成本高，仅限于空间应用。此外，带状多晶硅太阳能电池的光谱特性也接近于单晶硅太阳能电池的光谱特性。非晶硅太阳能电池的光谱特性：非晶硅太阳能电池的光谱特性随着其材料的组成和结构、膜厚等因素的变化而有很大的不同。非晶硅薄膜的带隙是1.7eV，比单晶硅的带隙1.1eV大，所以其灵敏度比单晶硅更偏向短波一侧，这是它的一个优点。化合物半导体太阳能电池的光谱特性：化合物半导体太阳能电池有许多种类，其光谱特性也各种各样，在以前给出了最常见的GaAs-GaAlAs太阳能电池的光谱特性，它在短波长一侧的收集效率较高。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关”开关。3、用自备的不同颜色遮光板挡住其中一块电池板或遮住投光灯，更换不同颜色的遮光板，观察电流、电压表的数值并记录于下表中。同时也可以打开触摸屏开关按钮直观的观察光伏电流表、光伏电压表的值。4、计算出每种遮光板挡住光源后的功率，并与不用遮光板的功率进行对比。遮光板太阳光白板红板橙板黄板绿板蓝板紫板电流（mA）电压（V）功率mW1-13负载特性测试目的1、了解和掌握太阳能电池板原理及应用2、了解并掌握太阳能电池板相关特性的测试任务与内容 1、了解太阳能电池板的直接负载特性 2、了解电池板的直接负载概念原理负载特性：太阳能电池板将光能转换成电能向外输出提供给负载（比如电阻、电机、灯泡等），或者将电能储存起来再供给负载，负载的阻值发生变化，输出的电流也可以发生变化，负载特性即是将负载连接入以太阳能电池板为电源的电路中，输出电流随负载阻值变化的关系。步骤1、在实验台上按照下图连接好导线。2、打开“光源开关”开关。 3、仔细观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，同时也可以打开触摸屏按钮，观察负载电流表、负载电压表的数值，并计算出每种直流负载的功率。 4、断开DC12V风扇的两根电源线，分别接入蜂鸣器、电机、交通灯、LED灯等不同的负载，观察“充电电流表”和“充电电压表”的数值记录于下表中，并计算出每种直流负载的功率。12V直流负载风扇蜂鸣器电机交通灯LED灯电流（mA）电压（V）功率（mW）