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1、太阳能光伏材料与系统综合实验Photovoltaic Materials and systemExperimentes,大连交通大学材料科学与工程学院电子材料与器件教研室,实验目录,实验一、太阳光辐射能的检测 实验二、单体光伏电池的制备实验三、不同材料光伏材料电池的性能检测 实验四、太阳能光伏电池组件的制作与检测 实验五 太阳能光伏系统实验(设计性),实验一、太阳光辐射能的检测,1、实验目的 了解太阳能与太阳辐射的基本概念。检测太阳的辐射功率。2、实验原理1）太阳能与太阳辐射 太阳是一座聚合核反应器，发射功率为3.8X1026W，中心温度约2X107 K。太阳表面是6000 K的黑体。太阳辐射
2、的光谱的波长为10 pm一10 km，其中99的能量集中在0.276m一4.96m之间。地球一年接受太阳的总能量为1.8X108kwh，仅为太阳幅射总能量的20亿分之一。除光能、热能外，风能、水能、生物质能及矿物燃料均来源于太阳能。对一个具体地理位置而言，太阳对地表面的辐照取决于地球绕太阳的公转与自转、大气层的吸收与反射、气象条件(阴、雨、晴)。,2)大气质量数The solar constant is 1.353 kW/m2.太阳常数：1.353 kW/m2特规定：太阳光在大气层外垂直辐照时，大气质量数为AM0；太阳常数So=1.353 kWm2。其他人射角的大气质量(AM)数可用AMl与地
3、面的夹角的关系表达，即 AM=lcos(11)AM1：太阳入射光与地表面的夹角为90OAMl.5；当太阳的天顶角为482 O时，1 kW/m2AM2：当太阳的天顶角为60O 时。一般在地面应用：Aml.5的情况。AM0用于太空的情况。,3)日照的地理分布具体地点的日照取决于该地点所在的纬度和季节 太阳光谱：如图12 所示（参考书3）。,图11 世界地面年总辐射量（单位：千卡/厘米2年）（参考书3）为9月昼夜平分日的日射量等高线。在大多数地区这个月日射量接近于平均水平。,太阳光谱：如所图12示（参考书3）。,图12 太阳光谱,4）太阳辐射能的测量（1）最常用的是总辐射和直接辐射的测量。测量直接辐
4、射可用直接辐射表（图13）。（2）光强计测量：我们采用JG2型光功率计来大致测量。,图13直接辐射表,1）JG2型光功率计(光电转换放大器)。本仪器主要由光电探测头、电流电压变换器、电压放大器、数显表和电压表组成，可以进行激光功率、功率密度(照度)的测量。主要技术指标：波长范围 400nm1100nm；标定波长 670nm，6328nm，5145nm，488Onm，4579nm，4416nm 量 程：0.01W100mW；测量分档 2 W，20W，200W，2mW，20mW，200mW 数字显示：3（12）字；不准确度：5；模拟输出 满刻度 5V；输入电压：AC220V 50HZ；功耗：10W
5、,3.实验设备与仪器,4、实验内容与步骤,1）学习太阳光辐射的基本知识。2）对于不同的时间，天气采用以上所介绍的JG2型光功率计来测量太阳光辐射功率。方法是：用光探头按照不同的方向，测出光强Q,再除以光探头的面积S光强（光功率/单位面积）：I=Q/S 单位：mW/cm23）整理数据，作出曲线进行分析。并针对大连市的日照情况，计算大连市某一天某一时刻的太阳光辐射光强。并作出I 数据表以及曲线。4）写出实验报告。,实验二、单体光伏电池的制备,图22 多晶硅太阳能电池工艺流程框图,图23柱形晶粒的多晶硅太阳能电池结构,采用影视录像,实验三、不同材料光伏材料电池的性能检测,1、实验目的检测光伏材料的光
6、电响应特性，用激光光源，氙灯和透镜系统检测光伏电池的光谱响应；测定光照条件下的电流电压特性。2、设备与仪器1）HN600型氦氖激光器；2）氙灯 3)JG2型激光功率指示器(光电转换放大器)（如前述）（图31 氦氖激光器结构示意图）；4)Angelar型号多用表。5)单体光伏电池曲线检测仪（电子负载）；6）单晶，多晶，非晶材料的单体太阳能电池；7）万用电表。,图31 氦氖激光器结构示意图,图32 氙灯结构示意图,实验三、不同材料光伏材料电池的性能检测,3、实验原理：1）伏安特性曲线，短路电流和开路电压 参数：短路电流Isc，开路电压Voc，工作点，负载线，最大功率Pm,图34 太阳电池的伏-安特
7、性曲线,2）输出功率、转换效率和填充因子 输出功率，P=VI。在曲线上可得到一点，其工作电压和工作电流之积最大，该点称为太阳电池的最佳工作点，所得的乘积称为太阳电池的最大输出功率，即Pm=ImVm。太阳电池的能量转换效率:太阳电池的最大输出功率Pm与垂直入射到电池表面上的输入功率Pi和太阳电池面积A之比，称为，简称转换效率，用百分数表示，=Pm/APix100%太阳电池的最大输出功率Pm与开路电压Voc和短路电流Isc乘积的比值称为填充因子，它是衡量太阳电池输出特性好坏的重要指标之一，用数学式表示如下：FF=Pm/VocIsc 对于一定的开路电压Voc值和短路电流Isc值的特性曲线来说，填充因
8、子FF越接近于1，电池的转换效率越高，伏-安特性曲线的硬度（曲线的弯曲度称为硬度）越大。,3）太阳电池的温度特性和光电特性 图35示出了硅太阳电池的温度特性，硅太阳电池的光电特性表明，短路电流Isc随光强增加而增加，加很快，而强光下趋于饱和。,图35硅太阳电池的温度特性,4、实验内容与步骤,1)采用氦氖激光器；利用氦氖激光器的激光光束(6328nm)照射太阳电池；并测其电流密度j。利用氦氖激光器或氙灯，光功率计，透镜系统，多用表搭建检测系统如图36所示：2)在光束能量不变的前提下，用激光功率计测光束能量e。太阳电池在入632.8nm处的绝对响应Qa(入)为：Qa=j/e因各波长相对响应的刻度不
9、同，由方程式(416)就可按比例确定出各波长共同的比例系数k来。数据处理，作图线。3)制作检测（I-V曲线），电路图如图3-7所示。以氙灯模拟自然光，并采用自然阳光，检测I-V曲线。数据处理，作图线。计算出效率，填充因子。,图36太阳能电池性能测试装置结构示意图,图3-8 测试太阳能电池伏安曲线电路图,图3-7 自制的氙灯,实验四、太阳能光伏电池组件的制作与检测,1、实验目的 学习太阳能光伏电池组件的连接法，用层压机制作光伏电池组件；监测太阳能光伏电池组件的性能(I-V曲线)。2、实验设备与仪器1）晶体硅单体太阳能电池，以及太阳能电池组件；2）焊条，烙铁，框架，钢化玻璃，粘结剂，TPF复合膜（
10、底板），光刻胶等材料；3）层压机4）太阳能电池组件特性检测仪5）光刻机,图41 几种典型的太阳能电池组件封装结构剖面图,图43 平板式太阳能电池组件制作工艺流程图,4、实验内容与步骤,1）学习太阳能光伏电池组件的连接法，按照图47，以混合式的方法连接 图47 太阳电池方阵连接法2）按照图图43的步骤，用层压机制作光伏电池组件；3）检测太阳能光伏电池组件的性能，作出I-V曲线。4）写实验报告,图47 太阳电池方阵连接法,实验五 太阳能光伏系统实验(设计性实验),1、实验目的 将光伏电池组件，控制器，蓄电池以及用发光二极管作为负载组成小型光伏发电系统，并检测其性能。2、实验设备与仪器光伏电池组件
11、2）蓄电池 3）发光二极管 4）控制器 5）导线，开关等元件 3、实验原理一、独立光伏发电系统的结构及工作原理(一)系统框图 独立光伏发电系统根据负载的特点可分为(a)直流光伏系统；(b)交流光伏系统；(c)混合光伏系统；(d)有后备能源和放电器的光伏系统。其主要区别在于系统中是否有逆变器。独立光伏发电系统框图如图5-1所示。,(二)工作原理 吸收阳光转化成电能，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。负载通过开关与控制器连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充电或过放电状态；有的控制器能显示充放电状态，并能贮存必要的数据。在交流光伏发电系统中，DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交
12、流负载需要的交流电。防反充二极管也称为“阻塞二极管”或“隔离二极管”。其功能是利用二极管的单向导电性，防止五日照时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。防反充二极管的最大输出电流必须大于太阳能电池方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的最高电压。在太阳能电池方阵工作时，防反充二极管两端的电压降要尽量低(硅二极管一般为06V，锗二极管为03V，大功率肖特基二极管可以在03V以下)，以便降低系统的功耗。,图5-1(a)独立光伏发电系统框图1 图5-1(b)独立光伏发电系统框图2,4、实验步骤：,1）用以上简化没计计算方法设计一个小型太阳能供电的系统。条件：负载功率5瓦，工作电压12伏，工作电流小于0.5安，工作时间4小时，按照大连当地年辐射总量计算，最低气温一10，蓄电池放置地点温度一8，最长阴雨天数3天，该系统供照明、电视用。要求：设计选用的太阳能电池总功率P，安装方法，蓄电池用量。2）运用各个部件，安装小型太阳能供电的系统，画出框图，测出实际（晴天、阴天）的电池伏安特性曲线，和负载的电流电压。3）写实验报告。,提供实验用的两个专利系统（本专业本科生和研究生制作）：1.太阳能LED光柱，实用新型专利，专利号：ZL200620094595.2；2.太阳能LED交通指示牌实用新型专利，专利号：200720015915.5。,图1.太阳能LED光柱 图2.太阳能LED交通 指示牌,
