太陽能電池特性測量及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

太陽能電池特性測量及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)茉炊倘焙偷厍蛏鷳B(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題。本世紀(jì)初進(jìn)行的世界能源儲量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的CO2、SO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風(fēng)雨和酸雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人類帶來無窮的煩惱。根據(jù)計(jì)算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過500億噸。我國能源消費(fèi)以煤為主，CO2的排放量大約占世界的25%，位居世界第一，所以減少排放CO2、SO2等溫室氣體，已經(jīng)成為刻不容緩的大事。推廣使用太陽輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動，周而復(fù)始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。太陽與地球的平均距離為1億5千萬公里。在地球大氣圈外，太陽輻射的功率密度為1.353kW/m2，稱為太陽常數(shù)。到達(dá)地球表面時(shí)，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強(qiáng)度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時(shí)，太陽輻射的功率密度約為1kW/m2，通常被作為測試太陽電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽到地球的總輻射功率比目前全世界的平均消費(fèi)電力還要大數(shù)十萬倍。照射在地球上的太陽能非常巨大，每年到達(dá)地球的輻射能相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒能，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年的能量消費(fèi)?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽(yù)為最理想的能源。太陽能發(fā)電有兩種方式。光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而成本很高。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。它同以往其它電源發(fā)電原理不同，具有無枯竭危險(xiǎn)，無污染，不受資源分布地域的限制等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(fā)電目前成本較高，所以通常用于遠(yuǎn)離傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，2002年，國家有關(guān)部委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計(jì)劃”，通過太陽能和小型風(fēng)力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護(hù)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價(jià)格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應(yīng)用具有光明的前景。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應(yīng)用是世界性的趨勢。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機(jī)太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。太陽能發(fā)電有離網(wǎng)運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行2種發(fā)電方式。 并網(wǎng)運(yùn)行是將太陽能發(fā)電輸送到大電網(wǎng)中，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配，輸送給用戶。此時(shí)太陽能電站輸出的電能必需與電網(wǎng)電能同頻率、同相位，并滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行的諸多要求。大型太陽能電站大都采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。離網(wǎng)運(yùn)行是太陽能系統(tǒng)與用戶組成獨(dú)立的供電網(wǎng)絡(luò)。由于光照的時(shí)間性，為解決無光照時(shí)的供電，必需配有儲能裝置，或能與其它電源切換、互補(bǔ)。中小型太陽能電站大多采用離網(wǎng)運(yùn)行方式。本實(shí)驗(yàn)研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性以及離網(wǎng)型應(yīng)用系統(tǒng)。一、實(shí)驗(yàn)要求太陽能電池的暗伏安特性測量測量太陽能電池的開路電壓和光強(qiáng)之間的關(guān)系測量太陽能電池的短路電流和光強(qiáng)之間的關(guān)系太陽能電池的輸出特性測量了解并掌握太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成及工程應(yīng)用測量失配及遮擋對太陽能電池輸出的影響太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實(shí)驗(yàn)太陽能電池直接帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)加DC-DC匹配電源電壓與負(fù)載電壓實(shí)驗(yàn)DC-AC逆變與交流負(fù)載實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)原理1、太陽能電池太陽能電池利用半導(dǎo)體P-N結(jié)受光照射時(shí)的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，圖1為P-N結(jié)示意圖。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負(fù)電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，P-N結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P-N結(jié)兩端接入外電路，就可向負(fù)載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負(fù)載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實(shí)線所示。負(fù)載電阻為零時(shí)測得的最大電流ISC稱為短路電流。 負(fù)載斷開時(shí)測得的最大電壓VOC稱為開路電壓。 太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負(fù)載電阻大小不一樣時(shí)，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，繪出的P-V曲線如圖2點(diǎn)劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。填充因子F.F定義為：（1）填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅光電池FF值在0.75~0.8之間。轉(zhuǎn)換效率ηs定義為：（2）Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實(shí)驗(yàn)表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時(shí)只略微增加，如圖3所示。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率可達(dá)到15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。但由于單晶硅價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。2、太陽能電池的應(yīng)用離網(wǎng)型太陽能電源系統(tǒng)如圖4所示?？刂破饔址Q充放電控制器，起著管理光伏系統(tǒng)能量，保護(hù)蓄電池及整個(gè)光伏系統(tǒng)正常工作的作用。當(dāng)太陽能電池方陣輸出功率大于負(fù)載額定功率或負(fù)載不工作時(shí)，太陽能電池通過控制器向儲能裝置充電。當(dāng)太陽能電池方陣輸出功率小于負(fù)載額定功率或太陽能電池不工作時(shí)，儲能裝置通過控制器向負(fù)載供電。蓄電池過度充電和過度放電都將大大縮短蓄電池的使用壽命，需控制器對充放電進(jìn)行控制。本系統(tǒng)為訓(xùn)練學(xué)生能力，由學(xué)生自己完成各種測量線路連接，進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)及帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)，沒配備控制器。DC-DC為直流電壓變換電路，相當(dāng)于交流電路中的變壓器，最基本的DC-DC變換電路如圖5所示。圖5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(fù)載，uo為負(fù)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(shí)間與脈沖周期的比值，即可調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓。DC-DC的作用為：當(dāng)電源電壓與負(fù)載電壓不匹配時(shí)，通過DC-DC調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓，使負(fù)載能正常工作。通過改變負(fù)載端電壓，改變了折算到電源端的等效負(fù)載電阻，當(dāng)?shù)刃ж?fù)載電阻與電源內(nèi)阻相等時(shí)，電源能最大限度輸出能量。若取反饋信號控制驅(qū)動脈沖，進(jìn)而控制DC-DC輸出電壓，使電源始終最大限度輸出能量，這樣的功能模塊稱為最大功率跟蹤器。光伏系統(tǒng)常用的儲能裝置為蓄電池與超級電容器。蓄電池是提供和存儲電能的電化學(xué)裝置。光伏系統(tǒng)使用的蓄電池多為鉛酸蓄電池，充放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)式為：正極負(fù)極正極負(fù)極??圖圖6a蓄電池充電特性曲線圖6b蓄電池放電特性曲線??????OCBAOBA圖6a為蓄電池恒壓充電時(shí)的充電特性曲線。OA段電壓快速上升。AB段電壓緩慢上升，且延續(xù)較長時(shí)間。接近13.7V可停止充電。蓄電池充電電流過大，會導(dǎo)致蓄電池的溫度過高和活性物質(zhì)脫落，影響蓄電池的壽命。在充電后期，電化學(xué)反應(yīng)速率降低，若維持較大的充電電流，會使水發(fā)生電解，正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣。理想的充電模式是，開始時(shí)以蓄電池允許的最大充電電流充電，隨電池電壓升高逐漸減小充電電流，達(dá)到最大充電電壓時(shí)立即停止充電。圖6b為蓄電池放電特性曲線。OA段電壓下降較快。AB段電壓緩慢下降，且延續(xù)較長時(shí)間。C點(diǎn)后電壓急速下降，此時(shí)應(yīng)立即停止放電。蓄電池的放電時(shí)間一般規(guī)定為20小時(shí)。放電電流過大和過度放電（電池電壓過低）會嚴(yán)重影響電池壽命。蓄電池具有儲能密度（單位體積存儲的能量）高的優(yōu)點(diǎn)。但有充放電時(shí)間長（一般為數(shù)小時(shí)），充放電壽命短（約1000次），功率密度低的缺點(diǎn)。超級電容器通過極化電解質(zhì)來儲能，它由懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)多孔電極板構(gòu)成。在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)。由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。當(dāng)超級電容所加電壓低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)。如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。超級電容充電時(shí)不應(yīng)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(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的。與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同，超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容具有功率密度高（可大電流充放電），充放電時(shí)間短（一般為數(shù)分鐘），充放電壽命長的優(yōu)點(diǎn)。但比蓄電池儲能密度低。若將蓄電池與超級電容并聯(lián)作蓄能裝置，則可以在功率和儲能密度上優(yōu)勢互補(bǔ)。逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置。逆變電路一般都需升壓來滿足220V常用交流負(fù)載的用電需求。逆變器按升壓原理的不同分為低頻，高頻和無變壓器3種逆變器。低頻逆變器首先把直流電逆變成50Hz低壓交流電，再通過低頻變壓器升壓成220V的交流電供負(fù)載使用。它的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是低頻變壓器體積大、價(jià)格高、效率也較低。高頻逆變器將低壓直流電逆變?yōu)楦哳l低壓交流電，經(jīng)過高頻變壓器升壓后，再經(jīng)整流濾波電路得到高壓直流電，最后通過逆變電路得到220V低頻交流電供負(fù)載使用。高頻逆變器體積小、重量輕、效率高，是目前用得最多的逆變器類型。無變壓器逆變器通過串聯(lián)太陽能電池組或DC-DC電路得到高壓直流電，再通過逆變電路得到220V低頻交流電供負(fù)載使用。這種逆變器在歐洲市場占主導(dǎo)地位，由于在發(fā)電與用電電網(wǎng)間沒有變壓器隔離，在美國禁止使用。按輸出波形，逆變器分為方波逆變器，階梯波逆變器和正弦波逆變器3種。方波逆變器只需簡單的開關(guān)電路即能實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但存在效率較低，諧波成分大，使用負(fù)載受限制等缺點(diǎn)。在太陽能系統(tǒng)中，方波逆變器已經(jīng)很少應(yīng)用了。階梯波逆變器普遍采用PWM脈寬調(diào)制方式生成階梯波輸出。它能夠滿足大部分用電設(shè)備的需求，但它還是存在約20%的諧波失真，在運(yùn)行精密設(shè)備時(shí)會出現(xiàn)問題，也會對通訊設(shè)備造成高頻干擾。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好，失真度很低，能滿足所有交流負(fù)載的應(yīng)用，它的缺點(diǎn)是線路相對復(fù)雜，價(jià)格較貴。在太陽能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，必須使用正弦波逆變器。三、儀器介紹太陽能電池基本特性測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，電源面板如圖8所示。圖7太陽能電池實(shí)驗(yàn)裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測量。測試儀為實(shí)驗(yàn)提供電源，同時(shí)可以測量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電壓/光強(qiáng)表：通過“測量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光強(qiáng)輸入”接口的光強(qiáng)探頭測量到的光強(qiáng)數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當(dāng)前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光強(qiáng)量程”，可以選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。電流表：可以測量并顯示0～200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當(dāng)?shù)娘@示范圍。太陽能電池應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，由太陽能電池組件，實(shí)驗(yàn)儀和測試儀3部分組成。各部件的基本參數(shù)如下：太陽能電池單晶硅太陽能電池，標(biāo)稱電壓12V，標(biāo)稱功率2W光源100W碘鎢燈，為保證太陽能電池不因過熱損壞，使用時(shí)調(diào)節(jié)至離太陽能電池最遠(yuǎn)負(fù)載組件0～1KΩ，2W直流風(fēng)扇12V，1WLED燈直流15V，0.4WDC-DC升降壓DC-DC，輸入5～35V，輸出1.5～17V，1A超級電容2.3F，11V蓄電池12V，1.3AH（安時(shí)）逆變器DC12V～AC220V，75W交流負(fù)載節(jié)能燈，5W圖8太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀圖9太陽能電池應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理（一）太陽能電池基本特性測量1．硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)大面積平面P-N結(jié)，單個(gè)太陽能電池單元的P-N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管。在實(shí)際應(yīng)用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時(shí)的串并連關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求分別測試并畫出單晶硅,多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時(shí)的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖10所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流。圖10伏安特性測量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓，每間隔0.1V記一次電流值。然后再次將電壓輸入調(diào)到0V，將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電壓，逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)。2．開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測量打開光源開關(guān)，預(yù)熱5分鐘。打開遮光罩。將光強(qiáng)探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測試儀的“光強(qiáng)輸入”接口上。測試儀設(shè)置為“光強(qiáng)測量”。由近及遠(yuǎn)（從10cm到50cm）移動滑動支架，測量距光源一定距離（每隔5cm）的光強(qiáng)I。將光強(qiáng)探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設(shè)置為“電壓表”狀態(tài)。按圖11A接線，按測量光強(qiáng)時(shí)的距離值（光強(qiáng)已知），記錄開路電壓值。按圖11B接線，記錄短路電流值于表2中。將單晶硅太陽能電池更換為多晶硅太陽能電池，重復(fù)上述測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。將多晶硅太陽能電池更換為非晶硅太陽能電池，重復(fù)上述測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)。3．太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)按圖12接線，以電阻箱作為太陽能電池負(fù)載。在一定光照強(qiáng)度下（將滑動支架固定在導(dǎo)軌上某一個(gè)位置），分別將三種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V（按照每隔0.2V的間隔）和電流I。若時(shí)間允許，可改變光照強(qiáng)度（改變滑動支架的位置），重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)。4、注意事項(xiàng)⑴在預(yù)熱光源的時(shí)候，需用遮光罩罩住太陽能電池，以降低太陽能電池的溫度，減小實(shí)驗(yàn)誤差；⑵光源工作及關(guān)閉后的約1小時(shí)期間，燈罩表面的溫度都很高，請不要觸摸；⑶可變負(fù)載只能適用于本實(shí)驗(yàn)，否則可能燒壞可變負(fù)載；⑷220V電源需可靠接地。（二）太陽能電池應(yīng)用系統(tǒng)系列實(shí)驗(yàn)=1\*ROMANI實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：由于蓄電池充電時(shí)間需要約4小時(shí)，實(shí)驗(yàn)前用測試儀上的電壓表測量蓄電池電壓，若電壓低于11.5伏，用配置的充電器給蓄電池充電，充電與使用蓄電池可同時(shí)進(jìn)行，電壓充至13.5伏時(shí)停止充電。1、失配及遮擋對太陽能電池輸出的影響實(shí)驗(yàn)太陽能電池在串、并聯(lián)使用時(shí)，由于每片電池電性能不一致，使得串、并聯(lián)后的輸出總功率小于各個(gè)單體電池輸出功率之和，稱為太陽能電池的失配。太陽能電池由于云層，建筑物的陰影或電池表面的灰塵遮擋，使部分電池接收的輻照度小于其它部分，這部分電池輸出會小于其它部分，也會對輸出產(chǎn)生類似失配的影響。太陽能電池并聯(lián)連接時(shí)，總輸出電流為各并聯(lián)電池支路電流之和。在有失配或遮擋時(shí)，只要最差支路的開路電壓高于組件的工作電壓，則輸出電流仍為各支路電流之和。若有某支路的開路電壓低于組件的工作電壓，則該支路將作為負(fù)載而消耗能量。太陽能電池串聯(lián)連接時(shí)，串聯(lián)支路輸出電流由輸出最小的電池決定。在有失配或遮擋時(shí)，一方面會使該支路輸出電流降低，另一方面，失配或被遮擋部分將消耗其它部分產(chǎn)生的能量，這樣局部的溫度就會很高，產(chǎn)生熱斑，嚴(yán)重時(shí)會燒壞太陽能電池組件。由于即使部分遮擋，也會對整個(gè)串聯(lián)電路輸出產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在應(yīng)用系統(tǒng)中，常常在若干電池片旁并聯(lián)旁路二極管，如圖13中虛線所示，這樣，若部分面積被遮擋，其它部分仍可正常工作。本實(shí)驗(yàn)所用電池未加旁路二極管。由太陽能電池的伏安特性可知，太陽能電池在正常的工作范圍內(nèi)，電流變化很小，接近短路電流，電池的最大輸出功率與短路電流成正比，故在測量遮擋對輸出的影響時(shí)，可按圖14測量遮擋對短路電流的影響。表1遮擋對太陽能電池輸出的影響遮擋條件無遮擋縱向遮擋橫向遮擋遮擋面積010%20%50%25%50%75%短路電流（mA）2、太陽能電池對儲能裝置兩種方式充電實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)對比太陽能電池直接對超級電容充電和在太陽能電池后加DC-DC再對超級電容充電。說明不同充電方式下充電特性的不同及充電方式對超級電容充電效率的影響。本實(shí)驗(yàn)所用DC-DC采用輸入反饋控制，在工作過程中保持輸入端電壓基本穩(wěn)定。若太陽能電池光照條件不變，并調(diào)節(jié)DC-DC使輸入電壓等于太陽能電池最大功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓，即可實(shí)現(xiàn)在太陽能電池的最大功率輸出下的恒功率充電。理論上，采用最大功率輸出下的恒功率充電，太陽能電池一直保持最大輸出，充電效率應(yīng)該最高。在目前系統(tǒng)中，由于太陽能電池輸出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使兩種方式充電效率（以從同一低電壓充至額定電壓所需時(shí)間衡量）差別不大，但從測量結(jié)果可以看出充電特性的不同。按圖15a，將負(fù)載組件接入超級電容放電，控制放電電流小于150mA，使電容電壓放至低于1V。按圖15b接線，做太陽能電池直接對超級電容充電實(shí)驗(yàn)，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充電電流I值，充電至11伏時(shí)停止充電。將超級電容再次放電后，按圖15c接線，先將電壓表接至太陽能電池端，調(diào)節(jié)DC-DC使太陽能電池輸出電壓為最大功率電壓。然后將電壓表移至超級電容端（此時(shí)不再調(diào)節(jié)DC-DC旋鈕），做加DC-DC后對超級電容充電實(shí)驗(yàn)，每隔半分鐘記錄一次充電電壓U和充電電流I值，充電至11伏時(shí)停止充電。（三）太陽能電池應(yīng)用系統(tǒng)系列實(shí)驗(yàn)=2\*ROMANII實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：由于蓄電池充電時(shí)間需要約4小時(shí)，實(shí)驗(yàn)前用測試儀上的電壓表測量蓄電池電壓，若電壓低于11.5伏，用配置的充電器給蓄電池充電，充電與使用蓄電池可同時(shí)進(jìn)行，電壓充至13.5伏時(shí)停止充電。1、太陽能電池直接帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)太陽能電池輸出電壓與直流負(fù)載工作電壓一致時(shí)，可以將太陽能電池直接連接負(fù)載。若負(fù)載功率與太陽能電池最大輸出功率一致，則太陽能電池工作在最大輸出功率點(diǎn)，最大限度輸出能量。若負(fù)載功率小于太陽能電池最大輸出功率，則太陽能電池工作電壓大于最佳工作電壓，實(shí)際輸出功率小于最大輸出功率，此時(shí)控制器會將太陽能電池輸出的一部分能量向儲能裝置充電，使太陽能電池回歸最佳工作點(diǎn)。若負(fù)載功率大于太陽能電池最大輸出功率，則太陽能電池工作電壓小于最佳工作電壓，實(shí)際輸出功率小于最大輸出功率，此時(shí)控制器會由儲能裝置向負(fù)載提供部分電能，使太陽能電池回歸最佳工作點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M負(fù)載功率大于太陽能電池最大輸出功率的情況，觀察并聯(lián)超級電容前后太陽能電池輸出功率和負(fù)載實(shí)際獲得功率的變化，說明上述控制過程。首先測出該太陽能電池的最大輸出功率。按圖16，斷開超級電容，記錄并聯(lián)超級電容前，太陽能電池輸出電壓、電流，計(jì)算輸出功率P=UI，數(shù)據(jù)填入表2。將充電至約11V的超級電容并聯(lián)至負(fù)載，由于超級電容容量較小，我們可看到負(fù)載端電壓從11V一直下降，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，只要儲能器容量足夠大，下降速率會非常慢。當(dāng)超級電容電壓降至接近太陽能電池最佳工作電壓時(shí)，記錄太陽能電池的相應(yīng)參數(shù)入表2。表2太陽能電池直接帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)并聯(lián)超級電容前太陽能電池輸出情況并聯(lián)超級電容后太陽能電池輸出情況電壓U1(V)電流I1（mA）功率P1（mW）電壓U2(V)電流I2（mA）功率P2（mW）2、加DC-DC匹配電源電壓與負(fù)載電壓實(shí)驗(yàn)太陽能電池輸出電壓與直流負(fù)載工作電壓不一致時(shí)，太陽能電池輸出需經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換成負(fù)載電壓，再連接至負(fù)載。本實(shí)驗(yàn)比較太陽能電池輸出電壓與直流負(fù)載工作電壓不一致時(shí)，加不加DC-DC對負(fù)載獲得功率的影響，說明若不加DC-DC，負(fù)載無法正常工作。測量未加DC-DC（不接入圖17中虛線部分），負(fù)載的電壓、電流。接入DC-DC后，調(diào)節(jié)DC-DC的調(diào)節(jié)旋紐使輸出最大（電壓，電流表讀數(shù)達(dá)到最大），測量此時(shí)負(fù)載的電壓、電流。3、DC-AC逆變與交流負(fù)載實(shí)驗(yàn)當(dāng)負(fù)載為220伏交流時(shí)，太陽能電池輸出必需經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流220