光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还 是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要 由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护 简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到 兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。 太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V 或110V,还需要配置逆变器 冬部公的作用为 一)大阳能由 太阳能 太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值 最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工 作。 (二)太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保 护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功 能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选顶： (一)落由b, 一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是 在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 (四)逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提 供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。 熟悉和掌握光伏发电原理 2 熟悉各种太阳能电池板的特点 、掌握太阳能电池组件串并联及负载特性等测试方法： 实验原理： 大太阳能料太辐射能转化成电能的原理基于半导续的光伏效应。 光伏发电原理 多余价电子 空位 S 。 ®8@8 ①.日@日@ @8@8© 6X×。◇6。入 入。◇68。 N型半导 P型半导体 若将P型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体 由导电类型相反的两块半导体之间 子很多为很. 的扩散运动 在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散 并与那里的电子复合，从而 使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。同时在型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷 的搀入杂质的离子。 同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n 区要向浓度小的区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。 同时在n型区内， 由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。 于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为 空间电荷区。这就是p-n结。在p-n结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正 电荷指向负电荷的电场，因此在p-n结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势 垒电场)
光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还 是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要 由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护 简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到 兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。 太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V 或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为： （一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值 最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工 作。 （二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保 护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功 能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项； （三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是 在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 （四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提 供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。 实验目的： 1、熟悉和掌握光伏发电原理； 2、熟悉各种太阳能电池板的特点； 3、掌握太阳能电池组件串并联及负载特性等测试方法； 实验原理： 1、 光伏发电原理 太阳能电池将太阳辐射能转化成电能的原理基于半导体的光伏效应。 N型半导体 P型半导体 如图，若将p型半导体和n型半导体两者紧密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间 的过渡区域，称为 p-n 结。在 p-n 结两边，由于在p型区内，空穴很多，电子很少；而在n型区 内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子 的扩散运动。 在靠近交界面附近的p区中，空穴要由浓度大的p区向浓度小的n区扩散，并与那里的电子复合，从而 使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。同时在p型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷 的搀入杂质的离子。 同样在靠近交界面附近的n区中，电子要由浓度大的n区向浓度小的p区扩散，而电子则由浓度大的n 区要向浓度小的p区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。 同时在n型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。 于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为 空间电荷区。这就是 p-n 结。在 p-n 结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正 电荷指向负电荷的电场，因此在 p-n 结内，存在一个由n区指向p区的电场，称为内建电场（或称势 垒电场)
⊙。⊙。.。9。 88888888 8号8：88 当太阳光找到太阳电池上并被吸收时，其中能量大于禁带宽度的光子能将价带中的电子激发到导 带上 形成白由 价带中留下带正电的自由空穴，即电 三空穴对，通常称为光生载流子 自由电子和空穴在不停的运动中扩散到PN结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到 电池的型一侧，空穴被扫到电池的P型一侧，从而在电池上下两面分别形成了正负电荷积累，产 生光生电动势。 电路 直流电 太阳电池 五型硅 p型园 结的伏安特性曲线 光照的安特性曲线如图，横轴截距为0c,代表开路电压：纵轴截距为sc,代表短路电 b光照 /Voc Isc与 在第一象限为PW结正向工作的状态，此时光电流远大于暗电流， =I0e^(a /kT)-I0- Ip≈-[p,因此第三象限为光伏器件的工作区，称工作于这一区域的器件为光导模式器件。 UoC和Isc为光照PN结的两个重要参数。 ·在一定温度下 Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电动势，弱光照时，Isc与 光照度E成线性关系。 ·在第一象限为PN结正向工作的状态，此时光电流<远小于暗电流，因此第一象限不是光伏器件的 工作区。 ·p在第象限件忠电连的件为洗导锁式#0
当太阳光找到太阳电池上并被吸收时，其中能量大于禁带宽度的光子能将价带中的电子激发到导 带上去，形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子空穴对，通常称为光生载流子。 自由电子和空穴在不停的运动中扩散到PN结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子被扫到 电池的N型一侧，空穴被扫到电池的P型一侧，从而在电池上下两面分别形成了正负电荷积累，产 生光生电动势。 p-n结的伏安特性曲线 光照下PN结的伏安特性曲线如图，横轴截距为Uoc，代表开路电压；纵轴截距为Isc，代表短路电 流。 • Uoc和Isc为光照PN结的两个重要参数。 • 在一定温度下， Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电动势，弱光照时， Isc与 光照度E成线性关系。 • 在第一象限为PN结正向工作的状态，此时光电流>远大于暗电流， I = I0e^(qU /kT）-I0 - Ip≈-Ip ，因此第三象限为光伏器件的工作区，称工作于这一区域的器件为光导模式器件。 • Uoc和Isc为光照PN结的两个重要参数。 • 在一定温度下， Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电动势，弱光照时， Isc与 光照度E成线性关系。 • 在第一象限为PN结正向工作的状态，此时光电流>远大于暗电流， I = I0e^(qU /kT）-I0 - Ip≈-Ip ，因此第三象限为光伏器件的工作区，称工作于这一区域的器件为光导模式器件。 •
从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流I三是光生电流I?和在光生电压.作用下产生的-n 结正向电流I:之差，即1：=I。-f:。根据p-n结的电流和电压关系 22 1=1g（e证-1) 式中是光生电压，s为反向饱和电流，所以输出电流 2 -lp2s(e7-) (1) 此即光电流表达式。通常1>了s,上式括号内的1可忽略。 对于太阳能电池有外加偏压时，(1)式应改为 q平 1=i+1=1+s(eF-1) (2) 驴 上式中i:(e:-1),就是p-n结在外加偏压v作用下的电流。右图中的(a)(b)两条曲线分 别表示无光照和有光照时太阳能电池的I-V特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把 n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了o和1 在=0情况下，当太阳能电池外接负载电阻R!,其输出电压和电流均随R:变化而变化。只有当R:取 某一定值时输出功率才能达到最大值P%,即所谓最佳匹配阻值R:=R2,而R妇则取决于太阳能电池 了os 的内阻Ri=Ig。因F心和Ix均随光照强度的增强而增大，所不同的是c心与光强的对数成正比，Ic 与光强（在弱光下）成正比，所以足：亦随光强度变化而变化。 填充因子 太阳能电池的一个重要参数是填充因子FF,它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比： FF= Ux1:Uz1,F是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载 时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。 转换效率 太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的 输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。 7==F 9 地面用太阳能电池的测试标准为：大气质量为M1.5时的光谱分布（具体规定可参见有关我国国家 标准和国际标准)，入射的太阳辐照度为1000W/m2,温度为25℃。在此条件下太阳能电池的输 出功率定义为太阳能电池的峰瓦数。 实验步骤： 1、调试人造光源，公6组，确保系统工作正常： 2、测试16组逐渐打开后的照度分布： 3、改变人造光源的辐射角度，其照度分布的变化情况： 3、将太阳能光伏电池板置入人造光源辐射场，分别测试1~6组光源打开后的光伏电池板的开路电 压、短路电流等参数； 4、利用双轴太阳能跟踪系统对光源的辐射方向进行自动跟踪，测试最大输入电压、最大输出电流以 及最大输出功率； 5、计算填充因子和转换效率等参数： 6、串联接入2~4块太阳能光伏电池板，测试总的输入开路电压和短路电流等参数，后分别计算相关 参数； 7、并联接入2~4块太阳能光伏电池板，测试总的输入开路电压和短路电流等参数，后分别计算相关 参数： 8、处理数据。 思考题： 1、太阳能光伏电池板的串并联后，其开路电压和短路电流如何变化？ 2、按照双轴太阳能跟踪系统，光伏电池板的输出能量有什么变化？
从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流 是光生电流 和在光生电压 作用下产生的p-n 结正向电流 之差，即 。根据p-n结的电流和电压关系 = （ - 1) 式中 是光生电压， 为反向饱和电流 ，所以输出电流 = ? ( - 1) (1) 此即光电流表达式。通常 >> ，上式括号内的1可忽略。 对于太阳能电池有外加偏压时，（1）式应改为 = + = + ( - 1) （2） 上式中 ( - 1)，就是p-n结在外加偏压V作用下的电流。右图中的(a)(b)两条曲线分 别表示无光照和有光照时太阳能电池的I-V特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把pn结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了 和 。 在 =0情况下，当太阳能电池外接负载电阻 ，其输出电压和电流均随 变化而变化。只有当 取 某一定值时输出功率才能达到最大值 ，即所谓最佳匹配阻值 ，而 则取决于太阳能电池 的内阻Ri= 。因 和 均随光照强度的增强而增大，所不同的是 与光强的对数成正比， 与光强(在弱光下)成正比 ，所以 亦随光强度变化而变化。 填充因子 太阳能电池的一个重要参数是填充因子FF ,它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比: ，FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标, 是代表太阳能电池在带最佳负载 时, 能输出的最大功率的特性,其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。 转换效率 太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率,等于太阳能电池的 输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。 地面用太阳能电池的测试标准为:大气质量为AM 1. 5 时的光谱分布(具体规定可参见有关我国国家 标准和国际标准) ,入射的太阳辐照度为1 000 W/ m2 ,温度为 25 ℃。在此条件下太阳能电池的输 出功率定义为太阳能电池的峰瓦数。 实验步骤： 1、调试人造光源，公6组，确保系统工作正常； 2、测试1~6组逐渐打开后的照度分布； 3、改变人造光源的辐射角度，其照度分布的变化情况； 3、将太阳能光伏电池板置入人造光源辐射场，分别测试1~6组光源打开后的光伏电池板的开路电 压、短路电流等参数； 4、利用双轴太阳能跟踪系统对光源的辐射方向进行自动跟踪，测试最大输入电压、最大输出电流以 及最大输出功率； 5、计算填充因子和转换效率等参数； 6、串联接入2~4块太阳能光伏电池板，测试总的输入开路电压和短路电流等参数，后分别计算相关 参数； 7、并联接入2~4块太阳能光伏电池板，测试总的输入开路电压和短路电流等参数，后分别计算相关 参数； 8、处理数据。 思考题： 1、太阳能光伏电池板的串并联后，其开路电压和短路电流如何变化？ 2、按照双轴太阳能跟踪系统，光伏电池板的输出能量有什么变化？