太阳能电池的综合应用
一、实验目的
1、加深了解太阳能电池原理和最大功率点的特征；
二、实验内容
1、研究太阳能电池的输出功率与电阻的关系；
2、分析不同光强下最大功率下负载的变化情况；
2、研究太阳能电池转换效率与光强的关系；
三、实验仪器
太阳能电池综合特性测试仪一套
连接导线 若干
四、实验原理
1、太阳能电池工作原理
太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件，其原理是基于PN结的光生伏特效应。该效应涉及三个主要的物理过程：第一，半导体材料受到光的照射，当入射光子能量大于能隙时，光子被吸收，电子由价带跃迁到导带，产生非平衡的电子-空穴对；第二，产生的非平衡电子-空穴对以扩散或漂移的方式向PN结的空间电荷区运动；第三，进入空间电荷区后，非平衡空穴受内建电场作用被拉向P区，非平衡电子被拉向N区，P区边界将积累非平衡空穴，N区边界将积累非平衡电子，产生一个与内建电场相反的光生电场。如果PN结开路，则这个电势差就是光生电动势；如果将PN结短路，则这个电流是短路电流。在PN结两端接负载，会有电流通过，于是光照PN结实现了光能向电能的转换。
在一个大面积的PN结上做好上、下电极的接触引线便构成了一个太阳能电池，结构如如图1所示。背面接触一般采用大面积蒸镀金属形成欧姆接触，以减小串联电阻。对于正面电极，既要求减小接触电阻又要尽量减小对阳光的遮挡，故常常做成栅格形状。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜(如图1)，将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
图1 太阳能电池结构示意图
2、最大功率点跟踪原理
光伏电池板提供光伏发电系统中的电能，由于光伏系统主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵，因此，如何进一步提高太阳能电池的转换效率，如何充分利用光伏阵列转换的能量，一直是光伏发电系统研究的主要方向，太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪(MPPT，Maximum Power Point Tracking)就是其中一个重要的研究方向。
在最大功率点跟踪控制系统中，为了使负载获得最大的输出功率，当且仅当负载匹配时，此时负载上的功率可满足要求，简单的线性电路图如下图所示：
图7-1 简单的线性电路图
其中，Ri为电压源内阻，Ui为电源电压，RL为负载电阻，根据图可得负载上消耗的功率PRL为
在供电系统中，如果内阻不变，只须让外阻与内阻相等就可以得到最大输出功率，这种方法比较简单。但在实际光伏系统中，光伏电池的内阻容易受到负载、环境温度和日照强度的变化而不断变化，因此，根据以上方法不可能获取最大输出功率。最大功率跟踪的意义是将光伏电池产生的电能尽可能多地输出，从而尽可能地提高系统能量利用率。在供电系统中，通过负载调节实现最大功率的输出通常比较困难，这就需要通过最大功率点的跟踪控制来实时地获得最大输出功率，常用的实现方法是在光伏阵列和负载之间串联最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)电路。
DC-DC转换电路(也称为斩波电路或斩波器)是接在直流电源和负载之间，通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。它被广泛应用于直流开关电源、逆变系统、通信领域、地铁、无轨电车等直流电动机的驱动设备中。从工作方式的角度，DC-DC转换电路可分为升压、降压、升降压和丘克四种，其中升压式和降压式电路是基本的类型,后面二者可以从前面二者派生出来，而降压、升压和升降压式DC-DC转换电路是比较常用的类型。在实际使用中用DC-DC变换器实现最大功率点跟踪有不同的方法，如控制谐振频率的谐振法、控制DC-DC变换器中开关管输入脉冲的占空比等方法。谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压，通过电感L、电容C产生谐振，L上的电压再通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流，实现最大功率点跟踪，但线路较复杂，需用中间变压器。将DC-DC变换器接入太阳能电池的输入回路，并对DC-DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算，由单片机输出PWM脉冲调节DC-DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳能电池板的输出电流，从而控制蓄电池的充电电流，使蓄电池电压保持恒定。
五、实验注意事项
1、灯点亮时，灯的温度高，小心烫伤，光强大，不要直视；
2、实验过程中严禁用导体接触实验仪裸露元器件及其引脚；
3、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验；
4、若照度计、电流表或电压表显示为“1＿”时说明超出量程，选择合适的量程再测量；
5、严禁将任何电源对地短路。
6、插拔导线时一定不要拽着细线，从插头塑料处拿捏。
7、开启光源调光时，要从低到高逐渐调整，勿将光源调整过亮，避免伤害；
8、实验完成后关闭电源收纳线材，原位打报告，待教师检查后签字。
六、实验步骤
图7-2
(1)检查实验仪是否断电，在断电情况下进行实验，按图7-2连接电路，检查电路无误后；
(2)将光电探测器和光功率计连接，然后打开电源，首先将光功率计调零。
(3)移动太阳能电池板，将其置于离光源距离大约为30cm处进行实验；
(4)取下太阳能电池板，调节光强大小并用光电探测器测试，使功率计显示达到150 W/m2，让太阳能电池板处于一个稳定的工作状态，调节负载电阻大小，记录电流电压值；
(5)改变光强，改变太阳能电池板工作状态，记录光强200 W/m2时不同电阻下的电流电压值。完成后测量光强300 W/m2下的电流电压值。
(6)电阻设定为800Ω,调节光强大小并记录电流电压值，分析输出功率随光强的变化。
(7)关闭实验仪电源，拆除实验连线，还原实验仪。
七、数据处理与分析
1、依据记录的电流和电压计算输出功率，画出输出功率随电阻的变化曲线，分析太阳能电池板最大功率点的变化情况；
2、分别计算三种光强(150、200、250)最大功率下的转换效率；
3、计算不同光强下的输出功率和转换效率，分析太阳能电池在不同光强下转换效率的变化情况。
八、思考题
1、如何提高太阳能电池的效率？
