研究太阳能电池的串并联接法

东华理工大学东华理工大学物理设计性实验方案实验课题 ：一· 太阳能电池的串并联接法专 业：地球物理学班 级： 1322901 学 号： 201320290122 姓 名：周祥指导老师：李迎核工程与地球物理学院东华理工大学实验名称： 太阳能电池的串并联接法目前能源的重要性越来越被人们所重视。由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已经成为世界关注的问题。为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能、水能等清洁能源，其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。 本实验仪器旨在提高学生对太阳能电池基本特性的认识、学习和研究。一、 实验目的（ 1） 了解太阳能电池的工作原理及性能；（ 2） 探究太阳能电池串并联对其输出功率的影响 , 测出功率最大值PW。二、实验仪器：太阳能电池实验仪、太阳能电池板、连线若干、 60W白炽灯、挡板。三、 实验原理太阳能电池又叫光伏电池， 它能把外界的光转为电信号或电能。 实际上这种太阳能电池是由大面积的 PN结形成的，即在 N型硅片上扩散硼而形成的 P型层， 并用电极引线把 P 型和 N型层引出， 形成正负电极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。短路电流和开路电压是太阳能电池的两个非常重要的工作状态， 它们分别对应于负载电阻 RL=0 和 RL=∞的情况。在黑暗状态下太阳能电池在电路中就如同二极管。 因此本实验要测量出太阳能电池在光照状态东华理工大学下的短路电流 I SC和开路电压 UOC，最大输出功率 PM和填充因子 FF 以及在黑暗状态下的伏安特性。在 U = 0 情况下，当太阳能电池外接负载电阻 RL 时，其输出电压和电流均随 RL 变化而变化。只有当 RL取某一定值时输出功率才能达到最大值 Pm，即所谓最佳匹配阻值 RL=RLB，而 RLB则取决于太阳能电池的内阻 Ri =UOC/I SC。由于 UOC和 I SC均随光照强度的增强而增大，所不同的是UOC与光强的对数成正比， I SC与光强 (在弱光下 ) 成正比，所以 Ri 亦随光强度变化而变化。 UOC、 I SC和 RI 都是太阳能电池的重要参数。最大输出功率 PM与 UOC和 I SC乘积之比，可用下式表示FF=PM/UOCI SC (1) 式中 FF 是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子，填充因子一般在 0.5~0.8 之间。黑暗状态下的太阳能电池工作如图 1 所示此时加在它上面的正向偏压 U与通过的电流 I 之间关系式为I =I 0（ e∧ β U-1） （ 2）式 中 I 和 β 是 常 数 ， I0 为 太 阳 能 电 池 反 向 饱 和 电 流 ， β=KBT/e=1.38*10 -23 *300/1.602*10 -19=2.6*10 -2V-1。东华理工大学在光照状态下， 如果设想太阳能电池是由一个理想电流源、 一个理想二极管、一个并联电阻 RSh与一个电阻 RS所组成，那么太阳能电池的工作如图 2 所示图 2 中 I PH为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流， I d 为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：IR S+U-(I ph-I d-I)R Sh=0 （ 3）式中， I 为太阳能电池的输出电流， U为输出电压。由（ 4）式可得I(1-R S/RSh)=I ph-U/RSh-I d （ 4）假设 RSh=∞和 RS=0太阳能电池可简化为图 3 所示这里， I=I ph-I d=I ph-I 0(e ∧ β u-1) 在短路时， U=0,I ph=I sc而在开路时， I=0,I sc-I 0(e ∧ Β uOC-1)=0 东华理工大学可以得到： UOC=(1/ β )*l N(I SC/I O+1) （ 5）式即为在 Rsh=∞和 Rs=0 的情况下，太阳能电池的开路电压 UOC和短路电流 I SC的关系式。其中 UOC为开路电压， I SC为短路电流。四、 实验装置1. 太阳能电池板 4 块：其中单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池各 2 块 ( 单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池的性能基相同。单晶硅太阳能电池的平均转换效率比多晶硅太阳能电池的平均转换效率高 ) ；2. 改变电池与光源的距离，取 15,20,25,30,35,5 组测量数据。五、实验内容和步骤1． 在光照状态下太阳能电池的短路电流 I SC、 开路电压 UOC最大输出功率 PM，最佳负载及填充因子 FF的测量（ 1）打开电源，将控制白炽灯电源的“开灯 / 关灯”开关置于“开灯” ，并把“亮度调节”旋钮调到最小；（ 2） 将太阳能电池的导线连接到插座插头上 （注意连接插头时要连接同一块电池板的两个插头，将“明暗状态开关”拨到“明状态”加载电压调到 0 V， “负载调节” （负载电阻）旋钮逆时针调到最小，此时电流表上有电流显示，这是外界光产生的本底光电流；(3) 将灯源亮度调到最强， 逆时针调节负载电阻旋钮到最小， 测出太阳能电池的短路电流 I SC，顺时针调节负载电阻旋钮到最大，测出太阳能电池的开路电压 UOC; (4) 将灯源亮度调到最强， 调节负载电阻， 由最小逐渐调到最大，东华理工大学可以看见光电流及负载电压的变化，负载电压每隔 0.2V 左右测量负载的电压和电流值。2. 太阳能电池的短路电流 I SC、 开路电压 UOC与相对光强关系的测量 分别将“负载调节”旋钮（负载电阻）调到最小和最大，改变白炽灯光强度 ( 旋转“亮度调节”旋钮 )，分别记录下短路电流和开路电压，将电池与光源的距离调节，分别为 15,20,25,30,35,5 组测量。3. 太阳能电池板的串联并联特性的研究（ 1）串联将两个太阳能电池对应的红黑插座用插线串联起来用插线将左边的太阳能电池的黑插座连到右边太阳能电池的红插座上， 并将剩余的两个插座与机箱上对应颜色的插座连接起来） ，此时重复光照状态下的测试实验，观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电压、 短路电流与串联时的区别。 并思考实际开路电压与理论上的不同之处。注意串联光电池应该是同一种类的。（ 2）并联将每个太阳能电池对应的红黑插座用插线并联起来 （用插线将左边的太阳能电池的插座连到右边太阳能电池相同颜色的插座上， 将太阳能板上的插座与机箱上对应颜色的插座连接起来） ，此时重复光照状态下的测试实验， 观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电压、 短路电流与并联时的区别。 并思考实际短路电流与理论上的不同之处。注意并联光电池应该是同一种类的。六、 数据表格及数据处理东华理工大学1. 太阳能电池填充因子的测量表 1 不同负载电阻时的负载电压和光电流的测量本底光电流 I 0= （ mA） 短路电流 I SC= ( mA ) 开路电压 UOC= ( V ) 负载电阻 （ KΩ ）R=U/I 负载电压 U/V 光电流 I/mA 功率 P（ mW）P=UI 计算出不同负载电阻时的功率数值，并绘制出负载电阻（ KΩ ）与功率 P（ mW）的关系曲线，在曲线上找出功率最大值和对应的最佳负载R，利用公式（１）计算出太阳能电池的填充因子 FF=Pmax/UOCI SC。2. 太阳能电池的短路电流 I SC、开路电压 UOC与相对光强关系的测量表 2 光强比与开路电压、短路电流的测量电池与光源距离 /cm I SC/mA UOC/V 15 20 东华理工大学25 30 35 3. 太阳能电池串并联的测量表 3 太阳能电池串并联时电压、电流的测量1 号多晶2 号多晶3 号单晶4 号单晶多 晶串联多 晶并联单 晶串联单 晶并联开 路电 压（ V）短 路电 流（ mA）功 率P（ mW）七、 注意事项1. 红黑线的串并联过程中， 需要将红线或黑线插入需要连接的线头中间的插孔。2. 白炽灯带高压， 拆卸时需将电源关闭， 不要带电插拔电源机箱后方的航空插头。东华理工大学八．可行性分析（ 1） 原理分析： 通过测量太阳能电池的功率与负载电阻之间的关系，找出串并联电池对其功率的影响，并找出电阻对其影响，原理可行。（ 2）物理可测性：电池电源不超过 5V，故其功率 R 电流、电压均可通过实验室的仪表测量出来， 光照强度是仪表上有刻度的无需测量。所有物理测量都可以在实验室测得，所以实验可行。（ 3）数据处理方案：数据处理时，按仪表读数记录电流，电压以及功率，作出 P-R 图，找出何时功率最大以及起对应最大负载阻值，通过此方案处理的数据满足实验要求，所以方案可行。九．误差分析（ 1）光强不稳定， 光源自身功率的不稳定性会造成误差，按照多次测量去平均值原理，取相对误差小的实验数据，并测定不确定度。（ 2）接线不要乱，保证接线无误差。