TRM-FD1A太阳能电池组件演示测量解读.pdf

TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 III 实训报告 实训内容：TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量 实训时间：2016.01.11 至 2016.01.15 系 (部):新能源学院 专 业:新能源科学与工程 学生姓名:学号:指导教师：郭瑞 2016 年 01 月 15 日 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 III 目 录 第一章 概述.1 第二章 实验台功能简介及安装.2 2.1 实验台功能简介.2 2.2 实验台安装简介.3 2.3 设备组成及指标.4 2.4 设备参数.5 第三章 实验目的.7 第四章 实验原理.8 4.1 光生伏特效应.8 4.2 太阳能电池光照情况下的电流电压关系.9 4.3 太阳能电池的效率.11 4.4 太阳能电池的应用原理.12 第五章 实验内容.13 实验一 不同角度辐射强度的测量.13 实验二 太阳能电池作为能源转换器.13 实验三 太阳能电池作为能量转换器.14 实验四 不同遮蔽条件下太阳能电池的开路电压.15 实验五 不同遮蔽条件下太阳能电池的短路电流.16 实验六 不同的辐照度下太阳能电池的开路电压和短路电流.17 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 III 实验七 不同入射角度下太阳能电池的短路电流.18 实验八 太阳能电池的组合电路.19 实验九 不同遮蔽条件下太阳能电池并联.20 实验十 不同辐射强度下的太阳能电池的伏安特性曲线.21 第六章 软件说明.22 6.1 测试主机的操作.22 6.2 实验软件使用说明.23 6.3 温控子系统软件使用说明.24 第七章 注意事项.27 第八章实训总结.28 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 第一章 概述 太阳能指太阳辐射的能量。我们知道在太阳内部无时不刻的进行着氢转变为氨的热核反应。反应过程中伴随着巨大的能量向宇宙空间的释放。所有太阳释放到宇宙空间的能量都属于太阳能的范畴。科学研究已经表明太阳热核反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率 3.81023KW，根据地球体积，与太阳的距离等数据可以计算出地球辐照得到太阳能大致为全部太阳能量辐射量的 20 亿分之一左右。考虑到地球大气层对太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面的太阳辐照功率为 80 亿千瓦，折合 500 万吨标准煤的能量。随着社会经济的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。翻开任何一张新闻类报纸，不会看不到关于能源问题的报道，人类对能源的需求，随着社会经济发展而急剧膨胀，专家估计目前每年能源消耗总量为 200 亿吨标准煤，并且这其中的 90%左右是依靠不可再生的化石能源来维持的。就目前这种状况，全球化石能源储备只能维持 100 年左右。太阳能自然而言成为人类可持续发展不得不考虑的最佳能源方式。人类对太阳能的利用不是最近几十年的事情，而是具有悠久的历史。我国战国时期，古埃及等国家都有关于太阳能利用的记载。这类应用虽然是太阳能利用范畴，但方式、手段和目的都非常的原始。近代太阳能利用的标志是 1615 年法国工程师制造出第一台太阳能驱动的发动机。但高昂的造价和极低的效率注定这种发动机没有使用价值，只能是模型爱好者的宠儿。人类对硅材料的认识、固体理论，半导体理论的发展和成熟是太阳能利用的关键推动力。具有里程碑意义的事件是 1945 年美国 Bell 实验室研制出实用性硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用、贸易的热点。太阳能潜在的市场为全球关注。除了人类能源需求量的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、理论和工艺技术水平的提高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是一个重要的因素。太阳能给人无限的遐想，但需要对太阳能有一个全面客观的认识。任何的事物总是具有两面性的。就太阳能而言，其优势在于“普通”，地球的任何角落都存在；“巨大”，太阳能是地球可供开采的最大能源；“无害”，不污染环境；“持续”，可稳定供应时间超过 100 亿年。太阳能的缺点在于它具备的分散性、不稳定性、高成本。分散性和不稳定性是地球地理特征决定的。高成本是工艺技术水平的不足导致的。太阳能是非常活跃的研究和应用领域，前景广阔，回报丰厚。这个领域也充满问题和挑战，对相关人才的需求量巨大。太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是 pn 结和光生伏特效应。理解太阳能电池的工作原理、基本特性、表征参数和测试方法是必要和重要的。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 第二章 实验台功能简介及安装 2.1 实验台功能简介 太阳能电池组件测试实验台分别由控温仪、控温装置、太阳能电池板、卤钨灯光源、辐射表、交直流负载、实验插座及控制开关组成。每一部分都有其特有的功能，下面将具体介绍功能用途。【1】温控仪主机：是能显示温度、辐射及交流电压电流测试数据且能准确控温的仪表主机；【2】太阳能电池板组：被测样板分为 2 组，可串并联测试；【3】卤钨灯光源：模拟太阳光，可调节明暗；【4】实验操作部分：按照说明书中实验步骤连接实验线，通过不同的连线方法实现不同的测试功能；【5】手控开关中，充电控制器开关、调光开关温控仪开关和负载开关分别控制充电控制器、卤钨灯、温控仪主机和电子负载部分的开断状态；充电开关为给蓄电池充电功能的开关；电机放电开关和灯放电开关为开断直流负载的开关；你变开关和 220V 开关则是为开断交流负载的开关。同时还有一些交直流负载，220V控温装置 太阳能电池板组 卤 钨 灯 光实验操作部分 温控仪主机 手控开关及交直流负载 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 灯为交流负载，其余的 3 个放电灯和电机为直流负载。2.2 实验台安装简介 由于运输等问题，实验台需要重新组装才能正常使用，主要安装的部分有电池板、卤钨灯、总辐射表、温控仪及电子负载。【1】电池板支架固定在实验台上后，需要将2 组电池板分别根据线号连接到实验台橙色端子上去；【2】总辐射表可根据如图方向固定在电池板支架的侧面挡板上；【3】卤钨灯的安装只要将胶头螺丝松动后把卤钨灯下面的圆柱体插到实验台卤钨灯底座上，再锁紧胶头螺丝即可；【4】温控仪和电子负载的安装如图，温控仪要由实验台正面推入，实验台内有铁架固定。电子负载则要平放在温控仪上表面，用螺丝固定即可。实验通讯接线框架图如下：TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 2.3 设备组成及指标 1实验操作台：操作台为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板，结构坚固，台面上方有实验屏及电源箱，可用来放置实验模块并提供实验所需各种电源；台面下有抽屉和柜门，可用来放置工具、模块等。2太阳能电池组：太阳能电池组是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。具体参数如下：峰值功率：5W*2 块=10W；最大功率电压：17.5V；最大功率电流：1.95A；开路电压：22V；短路电流：2.2A；安装尺寸：22218018mm。3太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。具体功能如下：使用单片机和专用软件，实现智能控制，自动识别24V 系统；采用串联式 PWM 充电控制方式，使充电回路的电压损失较原二极管充电方式降低一半，充电效率较非 PWM 高 36%;过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式有利于提高蓄电池寿命；多种保护功能，包括蓄电池反接、蓄电池过、欠压保护、太阳能电池组件短路保护，具有自动恢的输出过流保护功能，输出短路保护功能；具有丰富的工作模式，如光控，光控延时，通用控制等模式。具有直流输出或 0.5Hz 频闪输出 2 种输出选择，频闪输出特别适用于 LED 交通警示灯等。在频闪输出模式，负载可以使用感性负载；浮充电温度补偿功能；使用了数字 LED 显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，方便直观。4蓄电池：一般为固体电池，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。具有如下特点：自放电率低；使用寿命长；深放电能力强；充电效率高；工作温度范围宽。5 离网逆变器：太阳能的直接输出一般都是 12VDC、24VDC、48VDC。为能向 220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。为正弦波逆变器，具体功能参数如下：尺寸：200420400；纯正弦波输出(失真率4%)；输入输出完全隔离设计；能快速并行启动电容、电感负载；三色指示灯显示，输入电压,输出电压，负载水准和故障情形；负载控制风扇冷却；过压/欠压/短路/过载/超温保护。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 6负载：包括直流负载和交流负载。直流负载包括：LED 灯，风机等；交流负载包括：节能灯和交流电机等。组件可调电子负载:功率-20W,范围:0-无限大，用于对组件的负载测试,形成 I/V 曲线图：7人工光源：模拟太阳发出 500W 的直射光，光谱范围：(300 纳米-3000纳米)，光强度连续可调（0-500W），照射角度两维方向（左右：0-360 度，上下 0-90 度）连续可调电压：220 伏，功率：500 瓦。8.太阳能电池组件的温度特性测试:在被测组件背面装有恒温装置，保证组件表面温度均匀。温度在(环温-80 度)范围内连续可调，设定点自动控温，精度:1。由测量仪器对组件的状态实时测量(温度，电压，电流，功率等参数)，可形成温度特性曲线图。9测试仪器：准确测试组件的太阳辐射强度，环境温度，电池组件的温度，开路电压、短路电流、最大功率、最大功率点电压、最大功率点电流和填充因子。测试数据：Isc、Voc、Ipm、Vpm、Pm、FF、Eff；显示曲线：I-V 曲线、P 曲线；具有光强修正、补偿功能；具有数据、曲线存储、打印及测试数据分析功能；Windows 操作系统。2.4 设备参数(1).太阳能辐照度：通道数:1 路；范 围:02000W；精 度:小于 10%；显示分辨率:1W；(2).温度：(太阳能电池温度 1 路，环境温度 1 路)通道数:2 路 范 围:080；精 度:0.2；显示分辨率:0.1；结 构:全密封结构，防潮，防水，粘贴电池表面；(3).电压/电流接口（连接被测组件）：组件/阵列功率：0-20W 测量功率的不重复度 0.5%（光强不变和温度不变的情况下）电压：0-20V；电流：0-10A 精 度：小于 0.5%；显示分辨率：0.01V；(4).数据存储容量：6000 条，存储内容为设定时间内的数据平均值。(5).供电系统：交流 220V 或直流 12V。(6).通讯接口：标准 RS232/USB 接口，与管理微机有线连接，实时传送采集数据。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19(7).管理微机及软件:太阳能发电测试系统管理软件可在 WINDOWS200 以上环境即可运行，实时显示各路数据，每隔 1 秒更新一次，数据自动存储（存储时间可以设定），与打印机相连自动打印存储数据，数据存储格式,EXCEL 标准格式，形成 IV 曲线图，可供其它软件调用分析。(8).TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量主机:该采集器采用高性能微处理器为主控 CPU，大容量数据存储器。测试时由电子负载实现了被测组件从开路到短路的变化过程。测试仪可以实时给出被测组件的开路电压、短路电流、最佳工作点、填充因子以及光强的测试数据。测试仪自动存储测试结果，工业控制标准设计，便携式防震结构，大屏幕汉字液晶显示屏(一屏显示多路监测要素,替代微机)，轻触薄膜按键,适合在恶劣工业环境使用。既可与微机同时监测,又可以断开微机独立监测。8.1 显示方式:大屏幕液晶汉字及图形显示,一屏显示多路数据,液晶尺寸:115*65(mm)；8.2 记录仪具有先进的轻触薄膜按键,操作简单,实现对各路数据的实时观测；8.3 仪器尺寸：340*150*300（mm）；重量：6.5Kg，金属外壳。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 第三章 实验目的 1.了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理；2.掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法；3.通过分析结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因；4.了解太阳能电池在生产生活中的工作原理。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 第四章 实验原理 4.1 光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境，如温度、光照等，发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是 pn 结。pn结简单说就是 p 型半导体和 n 型半导体的基础区域。太阳能电池，本质上就是 pn 结。常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的 pn 结。太阳能电池之所以能够完成光电转换过程，核心物理效应是光生伏特效应。这种效应是半导体材料的一种通性。如图 1 所示，当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势。如果构成回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn 结是典型的一个例子。n 型半导体材料和 p 型半导体材料接触形成 pn 结。pn 结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn 结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。图 1 pn 结结构示意图 根据半导体基本理论，处于热平衡态的 pn 结结构由 p 区、n 区和两者交界区域构成。为了维持统一的费米等级，p 区内空穴向 n 区扩散，n 区内空穴向 p 区扩散。载流子的定向运动导致原来的电中性条件被破坏，p 区积累了带有负电的不可动电离受主，n 区积累了不可能电离施主。载流子扩散运动的结果导致 p 区带负电，n 区带正电，在界面附近区域形成由 n 区指向 p 区的内建电场和相应的空间电荷区。显然，两者费米等级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。当两者具有统一费米等级后扩散运动和内建电场的作用相等，p 区和 n 区两端产生一个高度为DqV的势垒。理想 pn 结模型下，处于热平衡的 pn 结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用。当有入射光垂直入射到 pn 结，只要 pn 结结深比较浅，入射光子会透过 pn 结区域TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 甚至能深入半导体内部。如图 2 所示，如果入射光子能量满足关系gEhv (gE为半导体材料的禁带宽度)，那么这些光子会被材料本征吸收，在 pn 结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。光生载流子对 p区空穴和 n 区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计。但是对少数载流子将产生显著影响，如 p 区电子和 n 区空穴。在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。在 pn 结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场，在内建电场的驱动下 p 区光生少子电子向 n 区运动，n 区光生少子空穴向 p 区运动。这种作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由 n 区指向 p 区，与内建电场方向一致；第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，pn 结势垒高度降低，甚至会完全消失。宏观的效果是在 pn 结两端产生电动势，也就是光生电动势。N P hv CE VE hv OCqV gE hv 图 2 光辐照下的 PN 结 光辐照 pn 结会使 pn 结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在 pn 结两端施加正向电压。这种情况下的 pn 结就是一个光电池。开路下 pn 结两端的电压叫做开路电压OCV，闭路下这种pn 结等价于一个电源，对应的电流SCI成为短路电流。光生伏特效应就是光能转化为电能的过程，开路电压和短路电流是两个基本的参数。4.2 太阳能电池光照情况下的电流电压关系 光生少子在内建电场驱动下定向的运动在pn 结内部产生了 n 区指向 p 区的光生电流LI，光生电动势等价于加载在 pn 结上的正向电压 V，它使得 pn 结势垒高度降低qVqVD。开路情况下光生电流与正向电流相等时，pn 结处于稳态，两端具有稳定的电势差OCV，这就是太阳能电池的开路电压OCV。如图 4 所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过pn 结，显然pn 结相当于一个电源。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 hv LR LI 1)exp(kTqVIS LR 图 3 太阳能电池等效电路图 光电流LI在负载上产生电压降，这个电压降可以使pn 结正偏。如图 3 所示，正偏电源产生正偏电流FI。在反偏情况下，pn 结电流为)1exp(0TkeVIIIIISLFL 随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，由此太阳能电池的电流总是反向的。根据图 4 的等效电路图。有两种极端情况是在太阳能电池特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻0LR，这种情况下加载在负载电阻上的电压为零，pn 结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流SCI。LSCIII 其二是负载电阻LR，外电路处于开路状态。流过负载电阻电流为零，根据等效电路图，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压OCV就是所谓的开路电压。显然有)1exp(00TkeVIIISL 得到开路电路电压OCV为)1ln(0SLOCIIeTkV 开路电压OCV和短路电流SCI是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池 IV 特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，短路电流SCI正比于入射光强度，开路电压OCV随着入射光强度对数式增大。从半导TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压OCV不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn 结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为 pn 结的势垒高度DV，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。4.3 太阳能电池的效率 太阳能电池从本质上说是一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化效率不可能是 100。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率定义为输出电能mP和入射光能inP的比值：%100%100inmminmPVIPP 最大功率矩形 mV OCV SCI mI mP I V 图 4 太阳能电池最大功率矩形 其中mmVI在 I-V 关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图 4 光特性 I-V 曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压。最大功率矩形取值点mP的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是 I-V 曲线上坐标相乘的最大值点。短路电流和开路电压也构成一个矩形，面积为OCSCVI，定义OCSCmmVIVI为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反应了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在 0.7-0.8之间。太阳能电池本质上是一个 pn 结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si 太阳能电池的最大效率是28左右。对太阳能电池效率有影响的还有其他很多TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在 10-15之间。为了提高单位面积的太阳能电池输出功率，可以采用通过光学透镜集中太阳光。太阳光强度可以提高几百倍，短路电流线性增大，因此透镜集中也是一个有优势的技术选择。4.4 太阳能电池的应用原理 太阳能发电系统由太阳能电池板、蓄电池、充电控制器、直流转交流逆变器、电路保护及用电器组成。如图 5 所示。图 5 太阳能发电系统原理图 太阳能电池板转换的电能通过太阳能充电控制器储存到蓄电池中，当我们需要使用电能时，太阳能充电控制器便将蓄电池中的电能提供给负载，如果需要使用交流电压，再经过 DC/AC 逆变器即可。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 第五章 实验内容 实验一 不同角度辐射强度的测量 太阳能电池板在实际应用中，位置总是固定不变的。但是一天中，太阳的位置是不断变化的，于是，太阳和太阳能电池板之间就有了不同的角度。角度不同，太阳辐射到电池板上的辐射强度自然不同。本实验通过卤灯与可变角度的太阳能电池板及辐射表来模拟太阳与实际使用中的太阳能电池板，测量不同角度下的辐射强度，分析一天中，太阳能电池板所受太阳辐射强度的变化规律。实验目的：通过本实验，要求学生了解：当太阳与电池板之间的角度不同时，电池板所受到的辐射强度也不同。实际应用中，我们应该将太阳能电池板安装在所受辐射强度最大的角度，充分利用太阳能。实验步骤：1、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；2、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件；3、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；4、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；5、将太阳能电池板的角度调整为90，从软件中读取当前的总辐射值并记录下来；6、调整太阳能电池板的角度，使其为45，再次读取并记录当前辐射值。7、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。角度 辐射强度(2/mW)90 45 实验二 太阳能电池作为能源转换器 能源就是向自然界提供能量转化的物质（矿物质能源，核物理能源，大气环流能源，地理性能源等）。能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。太阳能电池板可以利用太阳能作为能源，产生一定的电压，供人们使用。实验目的：通过本实验，要求学生了解太阳能电池的作用，太阳能电池的工作原理。学会应用实验设备对太阳能电池板进行测量。实验步骤：1、按下图接线：TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”。再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试；7、将测试后显示的开路电压值 Uoc 记录下来；8、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。实验三 太阳能电池作为能量转换器 能量是物质运动的一种度量。对应于物质的各种运动形式，能量也有各种形式，彼此可以互相转换，但总量不变。太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，它实质上是一个大面积的 PN 结，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在 P 型硅和 N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的 N 区和空穴向带负电的 P 区运动。通过界面层的电荷分离，将在 P 区和 N 区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。实验目的：通过本实验，要求学生了解太阳能电池的作用，太阳能电池的工作原理。学会应用实验设备对太阳能电池板进行测量。实验步骤：1、按下图接线：电压值(V)TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试；7、将测试后显示的短路电流值 Isc 记录下来；8、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。电流值(I)实验四 不同遮蔽条件下太阳能电池的开路电压 太阳能电池板在日常使用中，难免会受到周围环境的影响。如果周围有树木或者建筑，就可能会将太阳光遮挡。因此，我们需要知道当太阳能电池板受到遮挡时，其能量转换有何差异。实验目的：通过测量开路电压，了解太阳能电池板受到遮挡时的输出特性会发生怎样的变化。在实际使用时，怎样避免因遮挡导致的转换效率的降低。实验步骤：1、按下图接线：2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，7、将遮光布全部卷起，使卤灯灯光照射整个太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，记录开路电压 Uoc 的值；8、放下 1/4 遮光布，使卤灯灯光照射 3/4 的太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，记录开路电压 Uoc 的值；9、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。遮挡面积 开路电压(V)无遮挡 1/4 遮挡 实验五 不同遮蔽条件下太阳能电池的短路电流 太阳能电池板周围物体对它的遮挡会对其产生影响。这种影响不仅体现在开路电压上，也体现于短路电流上。充分了解的太阳能电池板的这些特性，我们才能更好的利用它进行光电转换。实验目的：通过测量短路电流，了解太阳能电池板受到遮挡时的输出特性会发生怎样的变化。在实际使用时，怎样避免因遮挡导致的转换效率的降低。实验步骤：1、按下图接线：2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，7、将遮光布全部卷起，使卤灯灯光照射整个太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 和温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流 Isc 的值；8、放下 1/4 遮光布，使卤灯灯光照射 3/4 的太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流 Isc 的值；9、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。遮挡面积 短路电流(I)无遮挡 1/4 遮挡 实验六 不同的辐照度下太阳能电池的开路电压和短路电流 太阳能电池板在室外使用时，会因为天气的变化、季节的不同受到不同强度的辐射，了解太阳能电池板在各种光强下的输出特性，对我们合理使用它们有着重要的帮助。例如：如果我们需要使用太阳能电池板为一套设备供电，我们不仅需要知道这台设备的功耗，还需要知道太阳能电池板在各种天气下所能产生的电量。通过这些，我们才能准确的判断所需的太阳能电池板的数量。既不会因为使用过多造成资源上的浪费，又不会因为使用过少导致设备有时不能正常工作。实验目的：测试太阳能电池板在不同光强下的开路电压和短路电流。比较实验结果。分析产生这种结果的原因。思考在实际应用中，我们应该如何合理分配太阳能电池板，使其有最大的利用率。实验步骤：1、按下图接线：2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，调节卤灯强度，软件中辐射值显示为 300W/m2 左右；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件。打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件；7、将遮光布全部卷起，使卤灯灯光照射整个太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值和温度值等信息填入软件后测试，记录开路电压Uoc 和短路电流 Isc 的值；。8、同理，调节卤灯调节开关，是辐射值分别显示为 150W/m2 和 50W/m2 左右时测试其开路电压和短路电流并记录下来；9、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 光强(2/mW)开路电压(V)短路电流(I)300 150 50 实验七 不同入射角度下太阳能电池的短路电流 太阳能电池板在受到太阳不同角度的辐射时，所产生的短路电流是不同的。通过测量不同入射角度下太阳能电池的短路电流，可以更好的掌握太阳能电池在一天中不同时刻所能产生电量的多少。实验目的：通过改变太阳能电池板的角度，使卤灯与太阳能电池板之间呈现不同角度，再分别测量其短路电流。分析得到太阳能电池板的短路电流与角度之间的关系。实验步骤：1、按下图接线：2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，7、将遮光布全部卷起，使卤灯灯光照射整个太阳能电池板。调整太阳能电池板角度，使其呈 90，再将电池板面积、辐射值和温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流Isc 的值；8、改变太阳能电池板角度，使其呈45，再将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流Isc 的值；9、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。角度 短路电流(I)90 45 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 实验八 太阳能电池的组合电路 太阳能电池从结构上说是一种大面积的 pn 结，实际应用中的太阳能电池板是由这些pn 结经过串并联加工而成的。加工之后的太阳能电池板能够更好的被人们使用。了解太阳能电池串并联的特性有助于我们更好的了解其工作特性。实验目的：通过实验设备，进行太阳能电池板的串并联实验。了解太阳能电池板的串并联特性，理解实际生产生活中，太阳能电池板经过串并联加工的原因。实验步骤：1、按下图电池板并联接线；2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，将开路电压和短路电流数据记录下来；7、分别按下图电池板的串联、单独接电池板 1 和单独接电池板 2 连线，重复步骤 2-6，分别测试出电池板不同接线组合下的开路电压和短路电流 TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 8、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。连接方式 开路电压(V)短路电流(I)并联 串联 电池板 1 电池板 2 实验九 不同遮蔽条件下太阳能电池并联 当太阳能电池板受到周围物体的遮挡时，其开路电压和短路电流都会降低。导致其转换效率必然降低。通过实验，了解其影响程度，可以合理分配太阳能电池板数量。实验目的：通过电脑软件，测试并联下的太阳能电池板受遮挡的影响。画 IV 曲线图，分析数据，计算并比较转换效率。实验步骤：1、按下图接线：TRM-FD1A 太阳能电池组件演示测量实验台 19 2、将辐射表表线一端接辐射表，另一端红黑线分别连接“光强检测+”和“光强检测-”；再将控温装置中的铂电阻接在温控仪相应的插座内；3、用通讯线和 USB 线连接电脑和温控仪，使用温度控制系统软件测试温度和辐射值；4、实验台打开温控仪开关和温控仪电源开关，用温度控制软件通讯；5、打开卤灯，将卤灯灯光调到最强；6、用电子负载 USB 线和延长线连接电脑和电子负载，使用太阳能电池组件测试系统软件；打开负载开关，使用太阳能电池组件测试系统软件，7、将遮光布全部卷起，使卤灯灯光照射整个太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值和温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流Isc、开路电压 Uoc、最大功率 Pmax、最大电流 Imax、最大电压 Umax 及填充因子和转换效率的值；8、放下 1/4 遮光布，使卤灯灯光照射 3/4 的太阳能电池板。再将电池板面积、辐射值、温度值等信息填入软件后测试，记录短路电流 Isc、开路电压 Uoc、最大功率 Pmax、最大电流 Imax、最大电压 Umax 及填充因子和转换效率的值；9、填写实验报告，分析实验结果，得出实验结论。遮挡面积 Isc(A)Voc(V)Pmax(W)Imax(A)Vmax(V)填充因子 转换效率 无遮挡 1/4 遮挡 实验十 不同辐射强度下的太阳能电池的伏安特性曲线 通过实验六我们已经了解了太阳能电池板的开路电压、短路电流与辐射强度的关系。但是在实际使用中，我们还需要知道太阳能电池板的带负载能