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1、其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。太阳能发电有离网运行与并网运行2种发电方式。 并网运行是将太阳能发电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时太阳能电站输出的电能必需与电网电能同频率、同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型太阳能电站大都采用并网运行方式。离网运行是太阳能系统与用户组成独立的供电网络。由于光照的时间性，为解决无光照时的供电，必需配有储能装置，或能与其它电源切换、互补。中小型太阳能电站大多采用离网运行方式。本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性以及离网型应用系统。一、实验要求1太阳能电池的暗伏安特性测量2测量太阳能电池的开路电压和光强

2、之间的关系3测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系4太阳能电池的输出特性测量5了解并掌握太阳能发电系统的组成及工程应用6测量失配及遮挡对太阳能电池输出的影响7太阳能电池对储能装置两种方式充电实验8太阳能电池直接带负载实验9加DC-DC匹配电源电压与负载电压实验10DC-AC逆变与交流负载实验二、实验原理1、太阳能电池太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图1为P-N结示意图。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向

3、P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻

4、的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。 负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压。 太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。填充因子F.F定义为： （1）填充因子是表征太阳电池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0.750.8之间。转换效率s定义为： （2）Pin为入射到太阳

5、能电池表面的光功率。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，如图3所示。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工

6、业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。2、太阳能电池的应用离网型太阳能电源系统如图4所示。控制器又称充放电控制器，起着管理光伏系统能量，保护蓄电池及整个光伏系统正常工作的作用。当太阳能电池方阵输出功率大于负载额定功率或负载不工作时，太阳能电池通过控制器向储能装置充电。当太阳能电池方阵输出功率小于负载额定功率或太阳能电池不工作时，储能装置通过控制器向负载供电。蓄电池过度充电和过度放电都将大大缩短蓄电池的

7、使用寿命，需控制器对充放电进行控制。本系统为训练学生能力，由学生自己完成各种测量线路连接，进行充放电实验及带负载实验，没配备控制器。DC-DC为直流电压变换电路，相当于交流电路中的变压器，最基本的DC-DC变换电路如图5所示。图5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的作用为：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。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

8、负载电阻与电源内阻相等时，电源能最大限度输出能量。若取反馈信号控制驱动脉冲，进而控制DC-DC输出电压，使电源始终最大限度输出能量，这样的功能模块称为最大功率跟踪器。光伏系统常用的储能装置为蓄电池与超级电容器。蓄电池是提供和存储电能的电化学装置。光伏系统使用的蓄电池多为铅酸蓄电池，充放电时的化学反应式为： 正极 负极 正极 负极蓄电池放电时，化学能转换成电能，正极的氧化铅和负极的铅都转变为硫酸铅，蓄电池充电时，电能转换为化学能，硫酸铅在正负极又恢复为氧化铅和铅。图6a为蓄电池恒压充电时的充电特性曲线。OA段电压快速上升。AB段电压缓慢上升，且延续较长时间。接近13.7V可停止充电。蓄电池充电电

9、流过大，会导致蓄电池的温度过高和活性物质脱落，影响蓄电池的寿命。在充电后期，电化学反应速率降低，若维持较大的充电电流，会使水发生电解，正极析出氧气，负极析出氢气。理想的充电模式是，开始时以蓄电池允许的最大充电电流充电，随电池电压升高逐渐减小充电电流，达到最大充电电压时立即停止充电。图6b为蓄电池放电特性曲线。OA段电压下降较快。AB段电压缓慢下降，且延续较长时间。C点后电压急速下降，此时应立即停止放电。蓄电池的放电时间一般规定为20小时。放电电流过大和过度放电（电池电压过低）会严重影响电池寿命。蓄电池具有储能密度（单位体积存储的能量）高的优点。但有充放电时间长（一般为数小时），充放电寿命短（约

10、1000次），功率密度低的缺点。超级电容器通过极化电解质来储能，它由悬浮在电解质中的两个多孔电极板构成。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，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应。由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。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

11、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。超级电容具有功率密度高（可大电流充放电），充放电时间短（一般为数分钟），充放电寿命长的优点。但比蓄电池储能密度低。若将蓄电池与超级电容并联作蓄能装置，则可以在功率和储能密度上优势互补。逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置。逆变电路一般都需升压来满足220V常用交流负载的用电需求。逆变器按升压原理的不同分为低频，高频和无变压器3种逆变器。低频逆变器首先把直流电逆变成50Hz低压交流电，再通过低频变压器升压成220V的交流电供负载使用。它的优点是电路结构简单，缺点是低频变压器体积

12、大、价格高、效率也较低。高频逆变器将低压直流电逆变为高频低压交流电，经过高频变压器升压后，再经整流滤波电路得到高压直流电，最后通过逆变电路得到220V低频交流电供负载使用。高频逆变器体积小、重量轻、效率高，是目前用得最多的逆变器类型。无变压器逆变器通过串联太阳能电池组或DC-DC电路得到高压直流电，再通过逆变电路得到220V低频交流电供负载使用。这种逆变器在欧洲市场占主导地位，由于在发电与用电电网间没有变压器隔离，在美国禁止使用。按输出波形，逆变器分为方波逆变器，阶梯波逆变器和正弦波逆变器3种。方波逆变器只需简单的开关电路即能实现，结构简单，成本低。但存在效率较低，谐波成分大，使用负载受限制等

13、缺点。在太阳能系统中，方波逆变器已经很少应用了。阶梯波逆变器普遍采用PWM脉宽调制方式生成阶梯波输出。它能够满足大部分用电设备的需求，但它还是存在约20%的谐波失真，在运行精密设备时会出现问题，也会对通讯设备造成高频干扰。正弦波逆变器的优点是输出波形好，失真度很低，能满足所有交流负载的应用，它的缺点是线路相对复杂，价格较贵。在太阳能发电并网应用时，必须使用正弦波逆变器。三、仪器介绍太阳能电池基本特性测量实验装置如图7所示，电源面板如图8所示。图7 太阳能电池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强，具体数值由光强探头测量。

14、测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强的数值。电压源：可以输出08V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当的显示范围。电流表：可以测量并显示0200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。太阳能电池应用系统的实验装置如图9所示，由太阳能电池组件，实验仪和测试仪3部分组成。各部件的基本参数如下：太阳能电池 单晶硅太阳能电池，标称电压12V，标称功率2W

15、光源 100W碘钨灯，为保证太阳能电池不因过热损坏，使用时调节至离太阳能电池最远负载组件 01K，2W直流风扇 12V，1WLED灯 直流15V，0.4WDC-DC 升降压DC-DC，输入535V，输出1.517V，1A超级电容 2.3F，11V蓄电池 12V，1.3AH（安时）逆变器 DC12VAC220V，75W交流负载 节能灯，5W图8 太阳能电池特性实验仪图9 太阳能电池应用实验装置四、实验内容及数据处理（一）太阳能电池基本特性测量1硅太阳能电池的暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。太阳能电池的基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电

16、池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。本实验提供的组件是将若干单元并联。要求分别测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图10所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。 图10 伏安特性测量接线原理图将电压源调到

17、0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。然后再次将电压输入调到0V，将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压，逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据。2开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热5分钟。打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远（从10cm到50cm）移动滑动支架，测量距光源一定距离（每隔5cm）的光强I。将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图11A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值。按图

18、11B接线，记录短路电流值于表2中。将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。3太阳能电池输出特性实验 按图12接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V（按照每隔0.2V的间隔）和电流I。若时间允许，可改变光照强度（改变滑动支架的位置），重复前面的实验。4、注意事项在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；光源工作及关闭后

19、的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸；可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；220V电源需可靠接地。（二）太阳能电池应用系统系列实验实验前准备：由于蓄电池充电时间需要约4小时，实验前用测试仪上的电压表测量蓄电池电压，若电压低于11.5伏，用配置的充电器给蓄电池充电，充电与使用蓄电池可同时进行，电压充至13.5伏时停止充电。1、失配及遮挡对太阳能电池输出的影响实验太阳能电池在串、并联使用时，由于每片电池电性能不一致，使得串、并联后的输出总功率小于各个单体电池输出功率之和，称为太阳能电池的失配。太阳能电池由于云层，建筑物的阴影或电池表面的灰尘遮挡，使部分电池接收的辐照度小于其

20、它部分，这部分电池输出会小于其它部分，也会对输出产生类似失配的影响。太阳能电池并联连接时，总输出电流为各并联电池支路电流之和。在有失配或遮挡时，只要最差支路的开路电压高于组件的工作电压，则输出电流仍为各支路电流之和。若有某支路的开路电压低于组件的工作电压，则该支路将作为负载而消耗能量。太阳能电池串联连接时，串联支路输出电流由输出最小的电池决定。在有失配或遮挡时，一方面会使该支路输出电流降低，另一方面，失配或被遮挡部分将消耗其它部分产生的能量，这样局部的温度就会很高，产生热斑，严重时会烧坏太阳能电池组件。由于即使部分遮挡，也会对整个串联电路输出产生严重影响。在应用系统中，常常在若干电池片旁并联旁

21、路二极管，如图13中虚线所示，这样，若部分面积被遮挡，其它部分仍可正常工作。本实验所用电池未加旁路二极管。由太阳能电池的伏安特性可知，太阳能电池在正常的工作范围内，电流变化很小，接近短路电流，电池的最大输出功率与短路电流成正比，故在测量遮挡对输出的影响时，可按图14测量遮挡对短路电流的影响。表1 遮挡对太阳能电池输出的影响遮挡条件无遮挡纵向遮挡横向遮挡遮挡面积10%20%50%25%75%短路电流（mA）2、太阳能电池对储能装置两种方式充电实验本实验对比太阳能电池直接对超级电容充电和在太阳能电池后加DC-DC再对超级电容充电。说明不同充电方式下充电特性的不同及充电方式对超级电容充电效率的影响。

22、本实验所用DC-DC采用输入反馈控制，在工作过程中保持输入端电压基本稳定。若太阳能电池光照条件不变，并调节DC-DC使输入电压等于太阳能电池最大功率点对应的输出电压，即可实现在太阳能电池的最大功率输出下的恒功率充电。理论上，采用最大功率输出下的恒功率充电，太阳能电池一直保持最大输出，充电效率应该最高。在目前系统中，由于太阳能电池输出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使两种方式充电效率（以从同一低电压充至额定电压所需时间衡量）差别不大，但从测量结果可以看出充电特性的不同。按图15a，将负载组件接入超级电容放电，控制放电电流小于150mA，使电容电压放至低于1V。按图15b接线，做太阳能电

23、池直接对超级电容充电实验，每隔半分钟记录一次充电电压U和充电电流I值，充电至11伏时停止充电。将超级电容再次放电后，按图15c接线，先将电压表接至太阳能电池端，调节DC-DC使太阳能电池输出电压为最大功率电压。然后将电压表移至超级电容端（此时不再调节DC-DC旋钮），做加DC-DC后对超级电容充电实验，每隔半分钟记录一次充电电压U和充电电流I值，充电至11伏时停止充电。（三）太阳能电池应用系统系列实验1、太阳能电池直接带负载实验太阳能电池输出电压与直流负载工作电压一致时，可以将太阳能电池直接连接负载。若负载功率与太阳能电池最大输出功率一致，则太阳能电池工作在最大输出功率点，最大限度输出能量。若

24、负载功率小于太阳能电池最大输出功率，则太阳能电池工作电压大于最佳工作电压，实际输出功率小于最大输出功率，此时控制器会将太阳能电池输出的一部分能量向储能装置充电，使太阳能电池回归最佳工作点。若负载功率大于太阳能电池最大输出功率，则太阳能电池工作电压小于最佳工作电压，实际输出功率小于最大输出功率，此时控制器会由储能装置向负载提供部分电能，使太阳能电池回归最佳工作点。本实验模拟负载功率大于太阳能电池最大输出功率的情况，观察并联超级电容前后太阳能电池输出功率和负载实际获得功率的变化，说明上述控制过程。首先测出该太阳能电池的最大输出功率。按图16，断开超级电容，记录并联超级电容前，太阳能电池输出电压、电

25、流，计算输出功率P=UI，数据填入表2。将充电至约11V的超级电容并联至负载，由于超级电容容量较小，我们可看到负载端电压从11V一直下降，在实际应用系统中，只要储能器容量足够大，下降速率会非常慢。当超级电容电压降至接近太阳能电池最佳工作电压时，记录太阳能电池的相应参数入表2。表2太阳能电池直接带负载实验并联超级电容前太阳能电池输出情况并联超级电容后太阳能电池输出情况电压U1（V）电流I1（mA）功率P1（mW）电压U2（V）电流I2（mA）功率P2（mW）2、加DC-DC匹配电源电压与负载电压实验太阳能电池输出电压与直流负载工作电压不一致时，太阳能电池输出需经DC-DC转换成负载电压，再连接至

26、负载。本实验比较太阳能电池输出电压与直流负载工作电压不一致时，加不加DC-DC对负载获得功率的影响，说明若不加DC-DC，负载无法正常工作。测量未加DC-DC（不接入图17中虚线部分），负载的电压、电流。接入DC-DC后，调节DC-DC的调节旋纽使输出最大（电压，电流表读数达到最大），测量此时负载的电压、电流。3、DC-AC逆变与交流负载实验当负载为220伏交流时，太阳能电池输出必需经逆变器转换成交流220伏，才能供负载使用。由于节能灯功率远大于太阳能电池输出功率，由太阳能电池与蓄电池并联后给节能灯供电。按图18接线，节能灯点亮。用电压表测量逆变器输入端直流电压，用示波器测量逆变器输出端电压及波形。五、数据处理以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线；画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，并与图2比较。在实验的光照条件下，找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。最大功率点对应的输出电压和电流是多少？由（1）式计算填充因子。由（2）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率Pin=IS1，I为入射到太阳能电池板表面的光强，S1为太阳能电池板面积。按照表1中记