太陽能電池綜合應用

2021-01-13 鄭航大物實驗

太陽能電池的綜合應用

一、實驗目的

1、加深了解太陽能電池原理和最大功率點的特徵；


二、實驗內容

1、研究太陽能電池的輸出功率與電阻的關係；

2、分析不同光強下最大功率下負載的變化情況；

2、研究太陽能電池轉換效率與光強的關係；


三、實驗儀器

太陽能電池綜合特性測試儀一套

連接導線 若干


四、實驗原理

1、太陽能電池工作原理

太陽電池是一種對光有響應並能將光能轉換成電力的器件，其原理是基於PN結的光生伏特效應。該效應涉及三個主要的物理過程：第一，半導體材料受到光的照射，當入射光子能量大於能隙時，光子被吸收，電子由價帶躍遷到導帶，產生非平衡的電子-空穴對；第二，產生的非平衡電子-空穴對以擴散或漂移的方式向PN結的空間電荷區運動；第三，進入空間電荷區後，非平衡空穴受內建電場作用被拉向P區，非平衡電子被拉向N區，P區邊界將積累非平衡空穴，N區邊界將積累非平衡電子，產生一個與內建電場相反的光生電場。如果PN結開路，則這個電勢差就是光生電動勢；如果將PN結短路，則這個電流是短路電流。在PN結兩端接負載，會有電流通過，於是光照PN結實現了光能向電能的轉換。

在一個大面積的PN結上做好上、下電極的接觸引線便構成了一個太陽能電池，結構如如圖1所示。背面接觸一般採用大面積蒸鍍金屬形成歐姆接觸，以減小串聯電阻。對於正面電極，既要求減小接觸電阻又要儘量減小對陽光的遮擋，故常常做成柵格形狀。另外矽表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它塗上了一層反射係數非常小的保護膜（如圖1），將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，於是人們又將很多電池（通常是36個）並聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。


圖1 太陽能電池結構示意圖

2、最大功率點跟蹤原理

光伏電池板提供光伏發電系統中的電能，由於光伏系統主要問題是電池的轉換效率低且價格昂貴，因此，如何進一步提高太陽能電池的轉換效率，如何充分利用光伏陣列轉換的能量，一直是光伏發電系統研究的主要方向，太陽能光伏發電系統的最大功率點跟蹤（MPPT，Maximum Power Point Tracking）就是其中一個重要的研究方向。

在最大功率點跟蹤控制系統中，為了使負載獲得最大的輸出功率，若且唯若負載匹配時，此時負載上的功率可滿足要求，簡單的線性電路圖如下圖所示：

圖7-1 簡單的線性電路圖

其中，Ri為電壓源內阻，Ui為電源電壓，RL為負載電阻，根據圖可得負載上消耗的功率PRL為

在供電系統中，如果內阻不變，只須讓外阻與內阻相等就可以得到最大輸出功率，這種方法比較簡單。但在實際光伏系統中，光伏電池的內阻容易受到負載、環境溫度和日照強度的變化而不斷變化，因此，根據以上方法不可能獲取最大輸出功率。最大功率跟蹤的意義是將光伏電池產生的電能儘可能多地輸出，從而儘可能地提高系統能量利用率。在供電系統中，通過負載調節實現最大功率的輸出通常比較困難，這就需要通過最大功率點的跟蹤控制來實時地獲得最大輸出功率，常用的實現方法是在光伏陣列和負載之間串聯最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)電路。

DC-DC轉換電路(也稱為斬波電路或斬波器)是接在直流電源和負載之間，通過控制電壓將不可控的直流輸入變為可控的直流輸出的一種變換電路。它被廣泛應用於直流開關電源、逆變系統、通信領域、地鐵、無軌電車等直流電動機的驅動設備中。從工作方式的角度，DC-DC轉換電路可分為升壓、降壓、升降壓和丘克四種，其中升壓式和降壓式電路是基本的類型,後面二者可以從前面二者派生出來，而降壓、升壓和升降壓式DC-DC轉換電路是比較常用的類型。在實際使用中用DC-DC變換器實現最大功率點跟蹤有不同的方法，如控制諧振頻率的諧振法、控制DC-DC變換器中開關管輸入脈衝的佔空比等方法。諧振法是利用開關型電壓逆變器的輸出電壓，通過電感L、電容C產生諧振，L上的電壓再通過變壓器和橋式整流向蓄電池充電。該方法可以通過改變工作頻率來調節輸出電壓和電流，實現最大功率點跟蹤，但線路較複雜，需用中間變壓器。將DC-DC變換器接入太陽能電池的輸入迴路，並對DC-DC變換器的輸入、輸出電壓和電流測量結果通過單片機的分析運算，由單片機輸出PWM脈衝調節DC-DC轉換器內部開關管的佔空比來控制太陽能電池板的輸出電流，從而控制蓄電池的充電電流，使蓄電池電壓保持恆定。


五、實驗注意事項

1、燈點亮時，燈的溫度高，小心燙傷，光強大，不要直視；

2、實驗過程中嚴禁用導體接觸實驗儀裸露元器件及其引腳；

3、實驗操作中不要帶電插拔導線，應該在熟悉原理後，按照電路圖連接，檢查無誤後，方可打開電源進行實驗；

4、若照度計、電流表或電壓表顯示為「1＿」時說明超出量程，選擇合適的量程再測量；

5、嚴禁將任何電源對地短路。

6、插拔導線時一定不要拽著細線，從插頭塑料處拿捏。

7、開啟光源調光時，要從低到高逐漸調整，勿將光源調整過亮，避免傷害；

8、實驗完成後關閉電源收納線材，原位打報告，待教師檢查後籤字。


六、實驗步驟


圖7-2

（1）檢查實驗儀是否斷電，在斷電情況下進行實驗，按圖7-2連接電路，檢查電路無誤後；

（2）將光電探測器和光功率計連接，然後打開電源，首先將光功率計調零。

（3）移動太陽能電池板，將其置於離光源距離大約為30cm處進行實驗；

（4）取下太陽能電池板，調節光強大小並用光電探測器測試，使功率計顯示達到150 W/m2，讓太陽能電池板處於一個穩定的工作狀態，調節負載電阻大小，記錄電流電壓值；

（5）改變光強，改變太陽能電池板工作狀態，記錄光強200 W/m2時不同電阻下的電流電壓值。完成後測量光強300 W/m2下的電流電壓值。

（6）電阻設定為800Ω,調節光強大小並記錄電流電壓值，分析輸出功率隨光強的變化。

（7）關閉實驗儀電源，拆除實驗連線，還原實驗儀。

七、數據處理與分析

1、依據記錄的電流和電壓計算輸出功率，畫出輸出功率隨電阻的變化曲線，分析太陽能電池板最大功率點的變化情況；

2、分別計算三種光強（150、200、250）最大功率下的轉換效率；

3、計算不同光強下的輸出功率和轉換效率，分析太陽能電池在不同光強下轉換效率的變化情況。



八、思考題

1、如何提高太陽能電池的效率？

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