太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實驗(實驗報告)

1、光 伏 工 程 實 驗 報 告 實 驗 名 稱：太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實驗 學 院： 材料科學與工程學院 專 業(yè)： 應用物理 指 導 教 師： 報告人：學號：1班級： 實 驗 時 間： 2015/1/5 實驗報告提交時間： 2014/12/ 一、實驗目的1. 了解超級電容放電的實驗；2. 了解太陽能組件直接對超級電容充電的實驗；3. 了解太陽能組件加DC-DC模塊后對超級電容充電實驗；4. 熟悉恒壓和恒定功率計算充電效率的方法；5. 通過對兩組實驗結(jié)果進行比較，找出實現(xiàn)最佳充電效率的方法。二、實驗原理1DC-DC模塊DC-DC為直流電壓變換電路，能將直流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，相當于交流

2、電路中的變壓器，就是相當于我們平常使用的電源充電器，最基本的DC-DC變換電路如圖1所示。圖1中，Ui為電源，T為晶體閘流管，uC為晶閘管驅(qū)動脈沖，L為濾波電感，C為電容，D為續(xù)流二極管，RL為負載，uo為負載電壓。調(diào)節(jié)晶閘管驅(qū)動脈沖的占空比，即驅(qū)動脈沖高電平持續(xù)時間與脈沖周期的比值，即可調(diào)節(jié)負載端電壓。DC-DC的作用：當電源電壓與負載電壓不匹配時，通過DC-DC調(diào)節(jié)負載端電壓，使負載能正常工作。本實驗的太陽能組件輸出電壓可以超過10V，而超級電容器的額定電壓為3V左右，因此需要用到DC-DC模塊進行電壓的轉(zhuǎn)換。通過改變負載端電壓，改變了折算到電源端的等效負載電阻，當?shù)刃ж撦d電阻與電源內(nèi)阻相

3、等時，電源能最大限度輸出能量。在本實驗中，DC-DC模塊用于控制太陽能電池，使其始終以最大限度輸出能量，保證以恒定功率輸出。2.超級電容超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大當超級電容所加電壓低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器

4、為正常工作狀態(tài)。如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。超級電容充電時不應超過其額定電壓。超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩(wěn)定的。與利用化學反應的蓄電池不同，超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。3.充電效率計算電池充電效率：電池放電時取出的電量與充電時流進去電池的電量之比，稱之為充電效率。計算公式：電池充電效率 = 放電電流放電至截止電壓所需時間 100%充電電流充電時間電容充電效率：充電效率主要取決于超級電容能夠?qū)⒐夥姵禺a(chǎn)生的多少能量儲存進超級電容中。計算公式

5、： Wc為充電功率Wi 可以近似為電池輸出功率Rs 為等效串聯(lián)電阻Vc是超級電容兩段電壓Ec是超級電容吸收的能量Ei是充電電路注入的能量 但是，由于實驗儀器和操作的誤差，可能使得實驗的結(jié)果跟理論的數(shù)值有一定的差距，下面給出的是理論上的兩種充電方式的充電效率計算方法：恒壓充電：恒定功率充電：三、實驗儀器實驗裝置如圖2所示，由太陽能電池組件、實驗儀和測試儀3部分組成。圖3為測試儀面板圖。測試儀是為太陽能電池實驗的基本型配套的，能測量電壓、電流和光強這些參數(shù)，但是由于只要測試功率P,所以只用測試儀的電壓，電流表。本次實驗所用組件及其參數(shù)如下：太陽能電池：單晶硅太陽能電池，標稱電壓12V，標稱功率3W

6、光源：150W碘鎢燈，為保證太陽能電池因過熱損壞，使用時調(diào)節(jié)至離太陽能電池最遠負載組件：01K，2WDC-DC：升降壓DC-DC，輸入535V，輸出1.517V，1A超級電容：2.3F，12V電壓表：020V，02V電流表：02mA，0200mA圖2 太陽能電池應用實驗裝置圖3 太陽能測試儀面板圖四、實驗內(nèi)容、步驟及注意事項實驗前準備圖4A超級電容1.對超級電容放電V按照圖4，將負載組件（可調(diào)電阻）接入超級電容放電，控制放電電流小于150mA，使電容電壓放至低于1V。注意事項：（1）連接電路前，先把電流表和電壓表的量程分別置 于200mA和20V檔。（2）連接電路前，負載組件電阻要調(diào)至最大。（

7、3）放電過程中，緩慢降低負載電阻，控制放電電流小于150mA。直到電容電壓放制低于1V。（實驗過程中，可使電阻為0，電流將至2.0mA以下。）圖5 測量太陽能電池輸出伏安特性接線圖（4）由于超級電容器放電需要一定的時間，所以大家不能太過著急，電阻不能降低太快，防止電流表爆表，損壞電流表。2、測量太陽能電池的輸出伏安特性按圖5接線，以負載組件作為太陽能電池的負載。實驗時先將負載組件逆時針旋轉(zhuǎn)到底，然后順時針旋轉(zhuǎn)負載組件旋鈕，記錄太陽能電池的輸出電壓U和電流I,并計算輸出功率P0=UI，填于表1中。表1 太陽能電池輸出伏安特性輸出電壓V(V)1234567891010.51111.512輸出電流I

8、(mA)輸出功率P0(mW)圖6 太陽能電池輸出伏安特性以輸出電壓為橫坐標，輸出功率為縱坐標，作太陽能電池輸出功率與輸出電壓關(guān)系曲線。記錄最大輸出功率對應電壓值。太陽能電池具有圖6所示的輸出伏安特性。負載電阻為零時的電流稱為短路電流，即伏安特性曲線與縱軸的交點。負載電阻斷開時的電壓稱為開路電壓，即伏安特性曲線與橫軸的交點。太陽能電池的輸出功率為電壓與電流的積，在伏安特性曲線的不同點，輸出的功率差異大。在實際應用中，應使負載功率與太陽能電池匹配，以便輸出最大功率，充分發(fā)揮太陽能電池功效。實驗內(nèi)容1.太陽能電池直接對超級電容充電（1）先如圖7連接好電路。圖7（2）由讀秒的同學負責打開碘鎢燈并開始計

9、時。圖8 （3）將數(shù)據(jù)記錄至表2中，充電至11V時停止充電。2.加DC-DC后對超級電容充電（1）先如圖9連接好電路。圖9 加DC-DC充電（2）由讀秒的同學負責打開碘鎢燈并開始計時。（3）將數(shù)據(jù)記錄至表2中，充電至11V時停止充電。注意事項：1.在經(jīng)過DC-DC組件調(diào)整太陽能電池輸出電壓后，實驗過程中不再調(diào)整DC-DC模塊。2.實驗前必須對電容進行放電。3.在加DC-DC后對超級電容充電實驗中，實驗過程中不能用遮擋太陽能電池，中途不能關(guān)閉碘鎢燈，或者將太陽能電池與DC-DC組件的連線斷開。數(shù)據(jù)處理太陽能電池組件的輸出伏安特性：1234567891010.51111.5125151.15151

10、.250.750.450.149.649.248.548.348.147.141.551102.2153204.8253.5302.4350.7396.8442.8485507.1529.1541.6498兩種充電情況下超級電容的充電特性：時間（min）直接充電加DC-DC充電電壓（V）電流（mA）功率（mW）電壓（V）電流(mA)功率（mW）00.3551.217.923.2266.4213.8080.51.6351.383.6193.2965.6215.82412.4551.3125.6853.5264.5227.041.53.2551.2166.43.8854.4211.07224.05

11、51.2207.364.2246.9197.9182.54.8151.0245.314.6942.3198.38735.5550.8281.945.0738.7196.2093.56.2850.6317.7685.5535.8198.6946.9850.6353.1885.8133.3193.4734.57.6650.2384.5326.1831.6195.28858.3149.8413.8386.5130.2196.6025.58.8949.5440.0556.8428.9197.67669.4749.2465.9247.227.51986.510.0049.004907.5426.4199

12、.056710.4648.2504.1727.8625.5200.437.511.3947.12536.69688.1824.4199.59288.623.7203.828.58.8722.5199.57599.1222.1201.5529.59.3821.5201.67109.6821203.2810.59.9420.4202.7761110.2120.1205.22111.510.8518.9205.0651210.9318.4201.112根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制兩種充電情況下超級電容的U-t、I-t、P-t曲線，了解兩種方式的充電特性，并加以討論總結(jié)。根據(jù)充電效率公式：恒壓充電效率（直接充電效

13、率）：恒定功率充電效率（加DC-DC模塊后）：從上面兩幅圖中可以看出：恒壓充電時，充電的效率隨時間從零開始一直在慢慢的增大，原因可能是：在充電開始的時候，由于是一打開碘鎢燈就開始計時，這時碘鎢燈的功率還沒有完全達到最大，再加上太陽能電池板沒有經(jīng)過預熱，產(chǎn)生的電壓比較低，因此造成轉(zhuǎn)換效率比較低。隨著充電時間的延長，碘鎢燈和太陽能電池組件也都達到正常工作的狀態(tài)，充電功率聚會有所提升。理論上恒定功率充電功率可以達到95%。恒定功率充電時，太陽能產(chǎn)生的能量，經(jīng)過DC-DC模塊的降壓穩(wěn)壓后，使得輸入超級電容器的功率是穩(wěn)定的，所以充電的效率維持在一定的水平階段內(nèi)，不會有太大的波動。根據(jù)理論的計算，恒定功率

14、的情況下，轉(zhuǎn)換效率可以達到50%，但是從上面的圖中可以看出，只能維持在35%左右，這可能是因為所用太陽能電池組件功率不大，DC-DC模塊也損耗一定的功率，電容在充電的同時也在放電。所以充電效率不高。分別比較兩種充電方式的U-t、I-t、P-t曲線：1、電壓： 恒壓充電的電壓增長速度較快，恒定功率充電的充電電壓增長較緩慢，變化不大。并且，恒壓充電時，電壓很快就達到11V。2、電流：兩中充電方式的電流都呈下降趨勢，恒壓充電的電流變化比較緩慢，恒定功率的電流變化比較大。3、功率：恒壓充電的充電功率隨著時間的升高而升高，恒定功率充電的功率隨著時間的變化率不大。4、在實際的生產(chǎn)應用中，出于保護太陽能電池組件和電容。往往使用電壓變化率較小，充電效率穩(wěn)定的充電方式。所以一般采用恒定功率充電思考題1、 能不能用電阻替代DC-DC組件？為什么？答：不能。（1） DC-DC組件是并聯(lián)在電路中，用電阻替代組件后，電阻只能起到調(diào)節(jié)電流大小的作用，不能實現(xiàn)升壓和降壓，不能使太陽電池實現(xiàn)恒定功率輸出；（2）電阻不能實現(xiàn)連續(xù)的電壓變化，不能滿足實驗的需要；（3）DC-DC組件與電阻相比有更好的穩(wěn)壓效果。2、 電流與充電效率有什么關(guān)系？答：充電效率和放電電流成正比，與充電電流成反比。3、 怎樣提高太陽能電池的充電效率？