研究太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)接法剖析

1、東華理工大學(xué)東華理工大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案專業(yè)：地球物理學(xué)班級(jí)：1322901學(xué)號(hào)：201320290122姓名：周祥指導(dǎo)老師：李迎太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)接法：一·核工程與地球物理學(xué)院太陽(yáng)能電池的串并聯(lián)接法目前能源的重要性越來(lái)越被人們所重視。由于煤、石油、天然氣等主要能源的大量消耗，能源危機(jī)已經(jīng)成為世界關(guān)注的問(wèn)題。為了可持續(xù)性發(fā)展，人們大量開發(fā)了諸如風(fēng)能、水能等清潔能源，其中以太陽(yáng)能電池作為綠色能源的開發(fā)前景較大。本實(shí)驗(yàn)儀器旨在提高學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能電池基本特性的認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)和研究。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1 ） 了解太陽(yáng)能電池的工作原理及性能；（ 2） 探究太陽(yáng)能電池串并聯(lián)對(duì)其輸出功率的影響, 測(cè)出

2、功率最大值PW。二、實(shí)驗(yàn)儀器：太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)儀、太陽(yáng)能電池板、連線若干、60W白熾燈、擋板。3、 實(shí)驗(yàn)原理太陽(yáng)能電池又叫光伏電池，它能把外界的光轉(zhuǎn)為電信號(hào)或電能。實(shí)際上這種太陽(yáng)能電池是由大面積的PN結(jié)形成的，即在N型硅片上擴(kuò)散硼而形成的P型層，并用電極引線把P型和N型層引出，形成正負(fù)電極。為防止表面反射光，提高轉(zhuǎn)換效率，通常在器件受光面上進(jìn)行氧化，形成二氧化硅保護(hù)膜。短路電流和開路電壓是太陽(yáng)能電池的兩個(gè)非常重要的工作狀態(tài)，它們分別對(duì)應(yīng)于負(fù)載電阻RL=0 和 RL=的情況。在黑暗狀態(tài)下太陽(yáng)能電池在電路中就如同二極管。因此本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量出太陽(yáng)能電池在光照狀態(tài)下的短路電流I SC和開路電壓UOC，最大

3、輸出功率PM和填充因子FF 以及在黑暗狀態(tài)下的伏安特性。在U = 0情況下，當(dāng)太陽(yáng)能電池外接負(fù)載電阻RL時(shí)，其輸出電壓和電流均隨RL變化而變化。只有當(dāng)RL取某一定值時(shí)輸出功率才能達(dá)到最大值Pm，即所謂最佳匹配阻值RL=RLB，而RLB則取決于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻Ri =UOC/I SC。由于UOC和I SC均隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，所不同的是UOC與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，I SC與光強(qiáng)(在弱光下)成正比，所以Ri亦隨光強(qiáng)度變化而變化。UOC、 I SC和RI 都是太陽(yáng)能電池的重要參數(shù)。最大輸出功率PM與UOC和I SC乘積之比，可用下式表示FF=PM/UOCI SC(1)式中 FF 是表征太陽(yáng)能電池性

4、能優(yōu)劣的指標(biāo)，稱為填充因子，填充因子一般在0.50.8 之間。黑暗狀態(tài)下的太陽(yáng)能電池工作如圖1 所示此時(shí)加在它上面的正向偏壓U與通過(guò)的電流I 之間關(guān)系式為I =I 0( e U-1 )( 2)式 中 I 和 是 常 數(shù) ， I0 為 太 陽(yáng) 能 電 池 反 向 飽 和 電 流 ， =KBT/e=1.38*10 -23*300/1.602*10 -19=2.6*10 -2V-1。在光照狀態(tài)下，如果設(shè)想太陽(yáng)能電池是由一個(gè)理想電流源、一個(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻RSh與一個(gè)電阻RS所組成，那么太陽(yáng)能電池的工作如圖2 所示圖 2中I PH為太陽(yáng)能電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流，Id為光照時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能

5、電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得：IRS+U-（I ph-I d-I）R Sh=0（ 3）式中， I 為太陽(yáng)能電池的輸出電流，U 為輸出電壓。由（4）式可得I（1-RS/RSh）=I ph-U/RSh-I d（ 4）假設(shè)RSh=和RS=0太陽(yáng)能電池可簡(jiǎn)化為圖3所示這里， I=I ph-I d=I ph-I 0(e u-1)在短路時(shí)，U=0,I ph=I sc而在開路時(shí)，I=0,I sc-I 0(e uOC-1)=0可以得到：UOC=（1/ ）*l N（I SC/I O+1）（ 5）式即為在Rsh=和Rs=0 的情況下，太陽(yáng)能電池的開路電壓UOC和短路電流I SC的關(guān)系式。其中UOC為開路

6、電壓，I SC為短路電流。4、 實(shí)驗(yàn)裝置1. 太陽(yáng)能電池板4 塊：其中單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池各 2 塊 （ 單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池的性能基相同。單晶硅太陽(yáng)能電池的平均轉(zhuǎn)換效率比多晶硅太陽(yáng)能電池的平均轉(zhuǎn)換效率高 ）；2. 改變電池與光源的距離，取15,20,25,30,35,5 組測(cè)量數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1 在光照狀態(tài)下太陽(yáng)能電池的短路電流I SC、 開路電壓UOC最大輸出功率PM，最佳負(fù)載及填充因子FF的測(cè)量（ 1）打開電源，將控制白熾燈電源的“開燈 / 關(guān)燈”開關(guān)置于“開燈” ，并把“亮度調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)到最??；（2） 2） 將太陽(yáng)能電池的導(dǎo)線連接到插座插頭上（注意連

7、接插頭時(shí)要連接同一塊電池板的兩個(gè)插頭，將“明暗狀態(tài)開關(guān)”撥到“明狀態(tài)”加載電壓調(diào)到0 V， “負(fù)載調(diào)節(jié)”（負(fù)載電阻）旋鈕逆時(shí)針調(diào)到最小，此時(shí)電流表上有電流顯示，這是外界光產(chǎn)生的本底光電流；（3） 將燈源亮度調(diào)到最強(qiáng)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)負(fù)載電阻旋鈕到最小，測(cè)出太陽(yáng)能電池的短路電流I SC，順時(shí)針調(diào)節(jié)負(fù)載電阻旋鈕到最大，測(cè)出太陽(yáng)能電池的開路電壓UOC;（4） 將燈源亮度調(diào)到最強(qiáng)，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，由最小逐漸調(diào)到最大，可以看見光電流及負(fù)載電壓的變化，負(fù)載電壓每隔0.2V 左右測(cè)量負(fù)載的電壓和電流值。2. 太陽(yáng)能電池的短路電流I SC、 開路電壓UOC與相對(duì)光強(qiáng)關(guān)系的測(cè)量 分別將“負(fù)載調(diào)節(jié)”旋鈕（負(fù)載電阻）調(diào)到最

8、小和最大，改變白熾燈光強(qiáng)度（ 旋轉(zhuǎn)“亮度調(diào)節(jié)”旋鈕 ），分別記錄下短路電流和開路電壓，將電池與光源的距離調(diào)節(jié)，分別為15,20,25,30,35,5 組測(cè)量。3. 太陽(yáng)能電池板的串聯(lián)并聯(lián)特性的研究4. 1）串聯(lián)將兩個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的紅黑插座用插線串聯(lián)起來(lái)用插線將左邊的太陽(yáng)能電池的黑插座連到右邊太陽(yáng)能電池的紅插座上，并將剩余的兩個(gè)插座與機(jī)箱上對(duì)應(yīng)顏色的插座連接起來(lái)），此時(shí)重復(fù)光照狀態(tài)下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，觀察在最大照明狀態(tài)下單個(gè)太陽(yáng)能電池板的開路電壓、 短路電流與串聯(lián)時(shí)的區(qū)別。并思考實(shí)際開路電壓與理論上的不同之處。注意串聯(lián)光電池應(yīng)該是同一種類的。5. 2）并聯(lián)將每個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)的紅黑插座用插線并聯(lián)起來(lái)

9、（用插線將左邊的太陽(yáng)能電池的插座連到右邊太陽(yáng)能電池相同顏色的插座上，將太陽(yáng)能板上的插座與機(jī)箱上對(duì)應(yīng)顏色的插座連接起來(lái)），此時(shí)重復(fù)光照狀態(tài)下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，觀察在最大照明狀態(tài)下單個(gè)太陽(yáng)能電池板的開路電壓、 短路電流與并聯(lián)時(shí)的區(qū)別。并思考實(shí)際短路電流與理論上的不同之處。注意并聯(lián)光電池應(yīng)該是同一種類的。6、 數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理1. 太陽(yáng)能電池填充因子的測(cè)量表 1 不同負(fù)載電阻時(shí)的負(fù)載電壓和光電流的測(cè)量本底光電流I 0=（mA）短路電流I SC= （ mA ）開路電壓UOC=（ V ）負(fù)載電阻（ K ）R=U/I負(fù)載電壓U/V光電流I/mA功率P（ mW）P=UI計(jì)算出不同負(fù)載電阻時(shí)的功率數(shù)值，并繪制出負(fù)

10、載電阻（K ）與功率P（ mW）的關(guān)系曲線，在曲線上找出功率最大值和對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載R，利用公式（）計(jì)算出太陽(yáng)能電池的填充因子FF=Pmax/UOCI SC。2. 太陽(yáng)能電池的短路電流I SC、開路電壓UOC與相對(duì)光強(qiáng)關(guān)系的測(cè)量表 2 光強(qiáng)比與開路電壓、短路電流的測(cè)量電池與光源距離/cmI SC/mAUOC/ 太陽(yáng)能電池串并聯(lián)的測(cè)量表 3 太陽(yáng)能電池串并聯(lián)時(shí)電壓、電流的測(cè)量1號(hào)多晶2號(hào)多晶3號(hào)單晶4號(hào)單晶多晶串聯(lián)多晶并聯(lián)單晶串聯(lián)單晶并聯(lián)開路電壓V）短路電流mA)功率P（ mW）7、 注意事項(xiàng)1. 紅黑線的串并聯(lián)過(guò)程中，需要將紅線或黑線插入需要連接的線頭中間的插孔。2. 白熾燈帶高壓，拆卸時(shí)需將電源關(guān)閉，不要帶電插拔電源機(jī)箱后方的航空插頭。八可行性分析（ 1） 原理分析：通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池的功率與負(fù)載電阻之間的關(guān)系，找出串并聯(lián)電池對(duì)其功率的影響，并找出電阻對(duì)其影響，原理可行。（ 2）物理可測(cè)性：電池電源不超過(guò)5V，故其功率R 電流、電壓均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的儀表測(cè)量出來(lái)，光照強(qiáng)度是儀表上有刻度的無(wú)需測(cè)量。所有物理測(cè)量都可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，所以實(shí)驗(yàn)可行。（