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1、目 录1 研究任务和要求1 1.1前言1 1.2研究任务和要求12太阳能外特性实验原理12.1 太阳能温度特性原理 12.2 太阳能光谱特性原理 22.3 太阳能光强特性原理 23太阳能电池特性测试方法33.1太阳能电池特性等效图 33.2太阳能电池研究实验实图 4 3.3器件说明 64实验数据结果8 4. .1太阳能电池温度特性 84.2太阳能电池光谱特性 10 4.3太阳能电池光强特性 115实验小结 136课程设计总结 157参考文献15 1.研究任务和要求1.1前言太阳是地球能量的源泉，地球上绝大部分的能量都是直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来
2、。煤炭、石油、天然气等化石燃料实质上是古代生物储存下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。现在，太阳能的利用逐渐开始普及，利用太阳能发电解决了人造卫星能源供应的难题，也为人们的日常生活带来了便利，太阳能热水器，太阳灶，太阳能光伏发电等都是人们生活中对太阳能的有效利用。其中，利用太阳能光伏发电已经成为人们越来越关注的课题，如何降低成本，提高光伏转换效率成为了各大型能源公司争相研究的问题。 太阳能光伏发电利用太阳能电池，通过光电转换将光能转换为电能，故太阳能电池的特性曲线与工作条件，成为光伏转换效率的关键。降低太阳能电池制造成本，提高光伏转换效率已成为各国科研工作者
3、争相研究的课题之一。1.2研究任务和要求要求完成光强特性，光谱特性，温度特性对光伏太阳能电池性能的影响。（1）掌握太阳能电池与温度、光强、光谱特性之间的特性原理；（2）掌握太阳能电池的温度、光强、光谱特性测试方法；（3）了解太阳能电池各特性参数与温度、光强、光谱之间的关系。 （4）完成课程设计报告。 2.太阳能外特性实验原理2.1 太阳能电池温度特性原理太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为 (1)其中是二极管的反向饱和电流,是理想二极管参数,理论值为1。是玻尔兹曼常量,为电子的电荷量,为热力学
4、温度。当有光照时，半导体内部结电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，N区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒方向相反的光生电场，当接上外电路时，形成反向的光电流，则流过PN结的总电流为： （2） 由上述公式可知，太阳能电池的短路电流与温度相关，故温度特性也是太阳能电池的一个重要特征。对于大部分太阳能电池，随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减小，转换效率降低。2.2太阳能电池光谱特性原理太阳能电池并不能把任何一种光都同样地转换成电。例如：通常红光转变为电的比例与蓝光转变为电的比例是不同的。由于光的颜色（波长）不同，转变为电的比例也不同，这种特性称为光谱特性。光谱特性通常用
5、收集效率来表示；所谓收集效率就是用百分数（% ）来表示一单位的光（一个光子）入射到太阳能电池上，产生多少电子（和空穴）。一般而言，一个光子产生的电子（和空穴）数目是小于1的。 从太阳能电池的应用角度来说，太阳能电池的光谱特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳能电池的光电转换效率。例如，有的电池在太阳光照射下能确定转换效率，但在荧光灯这样的室内光源下就无法得到有效的光电转换。不同的太阳能电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不同，会引起太阳能电池输出的变动。就人眼的感觉而言，在室外太阳光下和在室内荧光灯下，其亮度并不觉得差别很大，但其能量的绝
6、对值却相差数百倍。由于各种太阳能电池的光谱特性不同，所以太阳能电池的输出特性随所用的光源的光谱不同而变化较大。这是在太阳能电池应用时需要注意的问题。2.3太阳能电池光强特性原理 VOC和E线性拟合后的公式如下: VOC =0.6445- 0.881exp( -E/1404.7). 在反向饱和电流不变的条件下,开路电压与光强在理论上应该是指数关系,本实验的计算结果和理论完全符合。因此,如果要提高单晶硅太阳电池的开路电压,不仅可以通过改进太阳电池的结构来实现,而且可以通过增加聚光光强达到这一目的。它随着光强的增加先增加后减小。因此，单晶硅太阳电池在不大于1倍太阳光强下的效率不一定比在大于1倍太阳光
7、强条件下的效率低,某些单晶硅太阳电池可能不适合用于聚光环境,而适合用于普通或者弱光场合。对于随着光强的增加先升后降,有些学者认为这是串联内阻随着光强的变化逐渐增加的缘故。ISC流过串联内阻时会产生焦耳热,在低倍聚光条件下,在假设串联内阻不随光强变化时,产生的焦耳热与ISC平方成正比,即与光强的平方成正比,其在总功率中占据的比例会逐渐增大. 当光强达到一定值时,焦耳热引起的功率损失超过因光强增加而增加的功率,所以开始下降。 在低倍聚光下,提高光强能提高电池的输出功率,这就意味着和标准状况下的电池相比,产生同样的功率所需要的电池面积更小,那么所需要的硅材料就更少或者说同样一片电池在聚光条件下能发挥
8、更大的作用. 但是也不能一味地追求高光强,因为一方面随着电池效率的下降,通过提高光强来提高功率将变得越来越不明显;另一方面光强增加会带来温度升高以致增加冷却成本,同时对聚光器的要求也会越来越高,因此,对晶体硅太阳电池来说,要在效益与成本之间找到平衡点。 3.太阳能电池的特性测试方法3.1太阳能电池特性等效图 太阳能电池作为光电转换电源，其等效电路如图2所示。 图1 太阳能电池的等效电路利用电流表和电压表，可对太阳能电池的各项参数进行测量，图3给出了太阳能电池特性测试的等效电路。 图2 （1）太阳能电池的短路电流测量 （2）太阳能电池的I-V测量方法3.2太阳能电池研究实物图 图3 太阳能电池光
9、谱特性实验图 图4 太阳能温度特性实验图 图5 太阳能光强特性实验图 3.3器件说明温控仪使用说明温控仪以智能调节仪为控制核心，采用模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法，通过温度传感器感知测量对象的实时温度，进而控制制冷器的开关状态，实现对测量对象的温度调节。1技术指标1) 输入规格：Pt100铂电阻2) 测量范围：-2006003) 测量精度：0.5级4) 分辨率：0.15) 调节方式：人工智能调节6) 输出规格：420mA7) 报警功能：上限、下限、正偏差、负偏差等四种方式2仪表面板说明2.1面板图图11 温控仪面板示意图2.2 面板图说明 PV-测量值显示窗（红） SV-给定
10、值显示窗（绿） A-M-手动指示灯/自整定（绿） ALM1-AL1动作时点亮对应的灯（红） ALM2-AL2动作时点亮对应的灯（红） OUT-调节输出指示灯（绿） SET-功能键 -数据移位（兼手动/自动切换） -数据减少键 -数据增加键仪表上电后，上显示窗口显示测量值（PV），下显示窗口显示给定值（SV）。仪表面板上的4个LED指示灯，其含义分别如下：OUT输出指示灯：输出指示灯在线性电流输出时通过亮/暗变化反映输出电流的大小。 ALM1指示灯：当ALM1事件动作时点亮对应的灯。 ALM2指示灯：当ALM2事件动作时点亮对应的灯。A-M指示灯：手动指示灯。3基本设置及操作3.1温度给定值设置
11、仪表在正常状态下，按键或键即进入给定值设置状态，此时下排数码管有一小数点闪烁，再按、（A/M）等键可修改设定值，修改完后按SET键保存退出，如果没有按键操作，约10秒钟后会自动退出设定状态，回到正常测控状态。3.2设置参数按SET键并保持约秒钟，即进入参数设置状态。在参数设置状态下按SET键，仪表将依次显示各参数，例如上限报警值ALM1、参数锁LOCK等等，对于配置好并锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。用、（A/M）等键可修改参数值。先按（A/M）键不放接着再按SET键可退出设置参数状态。如果没有按键操作，约10秒钟后会自动退出设置参数状态。3.3手动/自动切换（A-M
12、=0时）：按（A/M）键，可以使仪表在自动及手动两种状态下进行切换。手动时下排显示器第一字显示“M”，直接按键或键可增加及减少手动输出值。自动时按SET键可直接查看自动输出值（下排显示器第一字显示“A”）。通过对“A-M”参数设置（详见后文），也可使仪表不允许由面板按键操作来切换至手动状态，以防止误入手动状态。3.4自整定（At）操作：仪表初次使用时，可启动自整定功能来协助确定P、I、D等控制参数。初次启动自整定时，可将仪表切换到正常显示状态下，按“（A/M）”键并保持约3钞钟（At=1时），此时下排显示器交替显示“At”字样。自整定时，仪表执行位式调节，约2-3次振荡后自动计算出P、I、D等
13、控制参数。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按“（A/M）”键并保持约3钞钟，使“At”字样消失即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数分至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数“At”设置为3（出厂时为1），这样今后无法从面板再按“（A/M”）键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数At设置为2的方法进行启动（参见后文“参数功能”说明）。系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上，如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执
14、行启动自整定的操作功能。参数t（控制周期）及Hy（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但Hy值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐t=0-2，Hy=0.3。 3.5手动自整定：由于自整定执行时采用位式调节，其输出将定位在由参数outL及outH定义的位置。在一些输出不允许大幅度变化的场合，如某些执行器采用调节阀的场合，常规的自整定并不适宜。对此仪表具有手动自整定模式。方法是先用手动方式进行调节，等手动调节基本稳定后，再在手动状态下启动自整定，这样仪表的输出值将限制在
15、当前手动值+10%及-10%的范围而不是outL及outH定义的范围，从而避免了生产现场不允许的阀门大幅度变化现象。此外，当被控物理量响应快速时，手动自整定方式能获得更准确的自整定结果。 4实验数据结果4.1太阳能电池温度特性实验结果表1 15时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率（mW）04.60.452.071004.50.904.052004.51.35.853004.41.757.74004.32.19.035004.02.359.46003.552.458.697003.222.568.248002.932.627.679002.672.707.20表2
16、 20时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率（mW）04.830.452.071004.50.904.152004.651.346.233004.571.818.274004.272.169.225003.922.359.216003.622.478.947003.242.578.328002.942.637.739002.72.77.29表3 25时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率（mW）04.50.042.301004.40.464.562004.20.856.873004.11.228.744004.01.079.57500
17、3.91.919.216003.82.248.687003.62.457.938003.22.547.329003.02.66.68表4 30时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率（mW）04.50.040.181004.40.462.022004.20.853.573004.11.225.004004.01.595.445003.91.927.446003.82.248.517003.52.438.828003.22.528.129002.92.567.8表5 35时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率（mW）04.50.052.2
18、51004.40.474.182004.20.856.803004.11.228.014004.01.598.365003.91.929.026003.82.217.427003.52.406.208003.22.485,619002.92.525,084.2太阳能电池光谱特性实验结果1、表1 绿色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.550.260.661002.540.51.272002.520.781.963002.561.022.614002.591.283.315002.551.513.856002.351.653.87700
19、2.231.773.948002.051.823.739001.911.883.59表2 橙色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.640.260.681002.700.531.432002.520.781.963002.471.002.474002.481.263.125002.401.413.386002.241.533.427002.121.663.518001.991.783.549001.841.843.38 表3 红色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.260.23
20、0.511002.400.471.122002.410.711.713002.360.952.244002.471.212.985002.381.393.306002.271.593.607002.151.703.658002.001.783.569001.881.863.49 表4 褐色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.480.250.621002.640.511.342002.550.761.933002.510.992.484002.381.152.735002.251.373.086002.211.523.357002.05
21、1.643.368001.921.713.289001.781.763.13 表5 黄色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.800.280.781002.860.571.632002.850.852.423002.811.103.094002.751.353.715002.611.544.016002.421.684.067002.251.784.008002.081.853.849001.931.913.68表6 全色光源时太阳能电池的输出参数负载阻值（欧姆）电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）02.720.270.73
22、1002.780.551.522002.800.832.323002.801.113.104002.781.373.805002.661.574.176002.481.714.247002.211.733.828002.031.813.679001.881.863.494.3太阳能电池光强特性实验结果遮光程度电流值（mA）电压值（V）功率P=I*V（mW）04.830.452.1714.020.371.4823.790.311.1733.430.270.9242.980.240.7152.570.190.4862.060.160.3271.750.130.2281.240.090.11 5实验
23、小结5.1太阳能电池的温度特性综合上述数据，分析的太阳能电池效率与温度之间的关系图。发现随温度上升，短路电流增大，而开路电压却在减小。当温度升到时，填充因子下降，所以转换效率随温度的增加而降低。（注：此图中横轴为开路电压，纵轴为短路电流）5.2太阳能电池光谱特性太阳能电池材料对光的吸收存在一个截止波长，对于太阳能电池材料禁带宽度增加时，被吸收总太阳能就会减少。对于晶硅太阳能电池，蓝色光即波长在475纳米左右吸收效率最高。（注：此图中横轴为开路电压，纵轴为短路电流）5.3太阳能电池光强特性短路电流与光强成正比，开路电压随光强按指数函数 规律增加，其特点是低照度值时，仍保持一定的开路电压。因此，最
24、大功率与照度成比例增加，而填充因子FF几乎不受光强的影响。（注：此图中横轴为光强系数，即系数越大，光强越小，纵轴为短路电流） 6.课程设计总结为期一周的课程设计终于结束了，在此次太阳能电池外特性研究中，不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。所以说这次的课程设计意义很深，小组一起的四位同学共同配合，努力的过程也很愉快。另外还要感谢老师的悉心辅导，使得我们的研究圆满完成。7.参考文献1金井升, 舒碧芬, 沈辉 著 单晶硅太阳能温度和光强特性 2008年12月 2薛春荣，钱斌，江学范，周承柏 编著 太阳能光伏组件技术 2014年1月 科学出版社3杨贵恒，强生泽，张颖超 编著 太阳能光伏发电系统及其应用2013年8月 化学工业出版社 16