太阳能板如何串联_太阳能电池综合应用

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

太阳电池是一种能够响应光并将其能量转化为电能的装置。其工作原理基于光生伏特效应。该效应涉及三个主要的过程：第一，在半导体材料中接收入射光的能量时（当单个入射光子的能量超过晶体材料中的能隙），会激发电子从价带跃迁到导带，并产生富余的电子-空穴对；第二，在此之后这些富余的电子-空穴对会通过扩散或漂移的方式向晶体内部的空间电荷区移动；第三，在空间电荷区中被内建电场驱动后移至各自的边界区域——即P区积累富余空穴、N区积累富余电子的过程中形成了相反方向上的净电场。在开路状态下（即没有外电路连接），该结构形成了一个等效于光生电动势的电压；而短路状态下（即外电路直接连接），则形成了一个等效于短路电流的最大电流值。当该结构连接到外电路时，在光照下会产生电流信号；这种现象表明，在外电路负载下实现了将光能转换为电能的功能

在一个大面积的PN结上设置上下电极接触引线即可形成一个太阳能电池（如图1所示）。背面通常采用大面积蒸镀金属形成欧姆接触以降低串联电阻。对于正面电极则需同时满足减小接触电阻与减少太阳光遮挡两个条件因此常采用栅格状设计。由于硅表面极为光滑容易反射大量太阳光线这使得无法有效利用其能量为此研究人员为其涂覆了一层具有极低反射系数的保护膜（如图1所示）。单个电池所能输出的电流和电压相对有限因此人们常将36个或更多这样的电池并联或串联以提高整体性能从而构成完整的太阳能光电板。

图1 太阳能电池结构示意图

2、最大功率点跟踪原理

光伏系统的主要缺点是电池转换效率低下且成本高昂。为了提升其能量转化能力，在提高太阳能电池性能的同时也需要有效利用光电组件产生的电能。这些方面始终是该领域研究的核心内容。其中一项关键的技术方法即为最大功率点跟踪技术（MPPT），这种方法作为该领域的核心技术和重要研究方向之一得到了广泛的应用和关注。

该系统采用最大功率点跟踪控制策略，在确保负载匹配的情况下即可实现负载的最大输出功率。其电路原理图如图所示。

图7-1 简单的线性电路图

其中R_i表示电压源的内阻U_i表示供电电压R_L代表负载电阻根据图形可得在负载两端所消耗的功率P_{RL}值为

在供电系统中，在内阻恒定时，在外阻与之相当时就可以实现最大输出功率；这一方法具有简化的特性。然而，在实际光伏系统中，在太阳能电池的内阻会因负载变化、环境温度波动以及光照强度的不同而导致持续变化；因此无法通过上述方法获得最大输出功率。最大功率跟踪技术旨在尽可能多地从太阳能电池中提取电能；从而最大限度地提高系统的能量利用率；在供电系统中；仅靠负载调节来实现最大功率的输出通常较为复杂；这就需要采用追踪控制的方法实时获取最大输出功率；其中一种常用手段是在光伏阵列与负载之间串联安装Maximum Power Point Tracking（MPPT）电路以实现这一目标

DC-DC变换电路(亦称开关电容器或斩波电路)连接于直流电源输入端和负载输出端之间，在此过程中将不可控的直流电源电压转化为可控的直流输出电压。这种变换电路广泛应用于直流开关电源系统、逆变装置、通信领域以及地铁和无轨电车等设备的动力驱动系统中。从工作机制的角度来看，DC-DC变换电路主要可分为升压型、降压型以及升压降压型四种类型；其中升压型与降压型为基本类型，在此基础之上其他两种类型可由此衍生而出；而常见的应用则集中在升压型、降压型以及升压降压型三种类型中。在实际操作中实现最大功率点跟踪的方法多样化，在现有技术中主要采用控制谐振频率的谐振法与基于占空比调节开关管工作的PWM方法等不同策略；其中谐振法通过利用开关源逆变器输出端电感L与电容C所形成的谐振回路，在变压器的作用下将L上的电压信号传递至蓄电池进行充电；该方法的优势在于可以通过调节工作频率来动态调整输出电压与电流值以实现最大功率点跟踪；但其线路结构较为复杂必须配备中间变压器作为辅助元件；另一种方法则是在太阳能电池系统中接入DC-DC变换器并在其输入回路两端采集测量数据随后通过单片机分析计算并发出PWM脉冲信号来调控变换器内部开关管的工作状态从而实现对太阳能电池板输出电流的有效控制最终维持蓄电池电压恒定不变

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、在实验操作过程中应当避免断开电源并拔出插头，在明确电路工作原理的基础上建议按照接线图进行线路连接，在完成所有接线环节经仔细检查确认无误后即可启动电源设备进行实验。

当照度计、电流表或电压表显示数值为"1＿"时，则表明已超出其当前量程范围；建议更换适合该测量范围的量程进行测量。

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

测试实验仪的运行状态，在其处于断电状态下进行实验；按照图7-2连接电路；确认电路连接无误之后。

(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；

移除太阳能电池板后，在调整光照强度的同时使用光电探测器进行测试，并确保功率计读数达到150瓦/平方米。随后将系统置于稳定状态下调整负载电阻的阻值，并记录电流和电压数值。

(5)调节光照强度以影响太阳能电池板的工作状态并记录不同电阻条件下光照强度为200 W/m²时的电流电压表现测试完成后再评估光照强度达到300 W/m²时的输出参数

电阻配置为800Ω时，调整入射光强度并以测量电流和电压值的方式记录数据；然后分析输出功率随入射光强度的变化趋势。

(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

基于记录的电流值和电压值计算出输出功率，并绘制出输出功率关于电阻变化的曲线图，在此基础上考察太阳能电池板工作状态下的最大输出功率随条件变化的情况

2、分别计算三种光强(150、200、250)最大功率下的转换效率；

测定不同光照强度下的输出功率值和转换效率值，并研究太阳能电池在不同光照强度下的转化效率变化规律。

八、思考题

1、如何提高太阳能电池的效率？