專業(yè)綜合設(shè)計性實驗教學(xué)大綱

1、PAGE 8PAGE 9專業(yè)綜合設(shè)計性實驗實驗教學(xué)大綱課程編碼1302511 課程名稱專業(yè)綜合設(shè)計性實驗 適用專業(yè)應(yīng)用物理專業(yè) 學(xué)分2 考核形式考查 學(xué)時2周 先修課程近代物理實驗,應(yīng)用光伏學(xué)開課學(xué)期六 一、課程簡介專業(yè)綜合設(shè)計性實驗是四年制本科應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)開設(shè)的綜合性設(shè)計性實驗課，它與光伏技術(shù)課程既有緊密聯(lián)系，又相互獨立，是一門獨立設(shè)置的實驗課。該課程采用自編教材。二、課程實驗教學(xué)目的與要求1、實驗教學(xué)目的：通過綜合性設(shè)計性實驗的整個教學(xué)過程，使學(xué)生鞏固太陽電池的工作原理和太陽電池的性能，同時加深理解光伏發(fā)電和并網(wǎng)的基本原理及過程，為以后的專業(yè)課學(xué)習打好基礎(chǔ)。綜合性設(shè)計實驗課程的目的和要求

2、如下：理解半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型、電阻率的概念。2、實驗教學(xué)要求：理解半導(dǎo)體材料中非平衡少數(shù)載流子的概念。掌握非平衡少數(shù)載流子測量方法即表面光電壓法；理解太陽電池表面減反射膜層概念及厚度測量；了解太陽電池光譜響應(yīng)測量的意義，掌握其測試方法；理解P-N結(jié)的基本原理及其光電效應(yīng)、太陽電池的電學(xué)特性，能夠計算并測量太陽電池的I-V特性參數(shù)；光伏發(fā)電和并網(wǎng)的基本原理及過程。三、實驗項目（緒論）利用多媒體實驗軟件演示光伏發(fā)電的基本原理和發(fā)電過程（一）光電效應(yīng)的原理1、實驗?zāi)康摹考由顚獾牧孔有缘睦斫?。驗證愛因斯坦光電效應(yīng)方程?！緦嶒炘怼繄D 5-25-1 光電效應(yīng)原理圖在一定頻率的光的照射下，電子從金屬表面

3、逸出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子稱為光電子。圖圖 5-25-1圖中組成抽成真空的光電管，為陽極，為陰極。當一定頻率的光射到金屬材料作成的陰極上，就有光電子逸出金屬。若在兩端加上電壓后，光電子將由定向地運動到，在回路中形成光電流。光電效應(yīng)的基本實驗規(guī)律如下： = 1 * GB2 、飽和光電流與入射光的光強成正比，如圖5-25-2（a）所示。圖中曲線稱為光電管伏安特性曲線。圖 5-25-2 伏安曲線 = 2 * GB2 、光電子的初動能（）與入射光的頻率成正比，與光強無關(guān)。實驗中反映初動能大小的是遏止電勢差。在圖5-25-1電路中，當陰極與陽極之間加反向電壓（即接正極，接負極），則間的

4、電場將對陰極逸出的電子起減速作用。隨著反向電壓增加，光電流逐漸減小，當反向電壓達到某一值時，光電流降為零（如圖5-25-2（a）所示，此時靜電場力對光電子所做的功等于光電子的初動能，即，為遏止電勢差。以不同頻率的光照射時， 關(guān)系曲線為一直線，如圖5-25-2（b）所示。圖 5-25-2 = 3 * GB2 、光電效應(yīng)存在一個頻率閾值稱為截止頻率。當入射光頻率時，無論光強如何，均不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 = 4 * GB2 、光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)，只要入射光頻率，一經(jīng)光線照射，立刻產(chǎn)生光電子。以上這些實驗規(guī)律，用光的電磁波理論不能作出圓滿的解釋。1905年愛因斯坦提出了一個卓越的理論光量子理論，成功地解

5、釋了光電效應(yīng)。他認為一束頻率的光是一束以光速C運動的，具有能量h的粒子流，這些粒子稱為光量子，簡稱光子，為普朗克常量。按照光子論和能量守恒定律，愛因斯坦提出了著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程 5-25-1金屬中自由電子，從入射光中吸收一個光子的能量h，克服了電子從金屬表面逸出時所需的逸出功后，逸出表面，具有初動能。用愛因斯坦方程可圓滿地解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。同時，由式（5-25-1）可知，要能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)，需。即，而就是，實驗時，測出不同頻率的光入射時的遏止電勢差后，作曲線，可得一直線 從直線斜率（）中可得普朗克常量h；從直線與橫坐標軸的交點可求出陰極金屬的截止頻率0；從直線與縱坐標軸的交點（-

6、），可求出陰極金屬的逸出電勢式（5-25-2）中e為電子電量（公認值）?！緦嶒瀮?nèi)容】1儀器的調(diào)整按儀器說明書和儀器使用規(guī)定調(diào)整好儀器。2測量光電管的暗電流連接好光電管暗盒與測量放大器之間的屏蔽電纜、地線和陽極電源線。適當選取電壓與電流的量程。在無光照的條件下，測出-3V+3V間不同電壓下的相應(yīng)暗電流值。3測量光電管反向電壓伏安特性（曲線） = 1 * GB2 、讓光源對準光電管暗盒入射窗，并使兩者間距約3050cm，取下入射窗的遮光罩換上波長=365.0nm的近紫外濾色片。 = 2 * GB2 、選擇合適的電流和電壓的量程，測出-30V間不同電壓下的光電流，測量時，用先定性粗測，后定量精測的測

7、量技術(shù)，在反向電流開始有明顯變化附近多測幾組數(shù)據(jù)。 = 3 * GB2 、相繼換上波長為404.7nm（紫色）、435.8nm（藍色）、546.1nm(黃色)濾色片，按上述步驟測出-30V間不同電壓下的光電流。列表記錄所有測量數(shù)據(jù)。 = 4 * GB2 、改變光源與光電管暗盒間的距離或入射窗進光孔的大小，重做上述測量。圖 5-25-3 實驗曲線與理論曲線3、不同光照頻率下的遏止電壓的測量(圖 5-25-3由不同頻率的遏止電勢差與頻率作關(guān)系曲線，按愛因斯坦方程曲線應(yīng)為一直線。其斜率 應(yīng)等于，由此求出普朗克常量h，并與公認值比較，算出百分誤差。（二） PN結(jié)的特點及應(yīng)用【實驗?zāi)康摹?.針對二極管的

8、非線性特點，要求同學(xué)們根據(jù)實驗任務(wù)要求，確定實驗方案，選擇實驗儀器，設(shè)計實驗線路，做好測試工作，畫出二極管的伏安特性曲線。2.學(xué)習從實驗曲線中獲取有關(guān)信息的方法，認真分析試驗結(jié)果，寫出實驗報告?！緦嶒炓蟆?.測出二極管的伏安特性曲線、動態(tài)阻值，并研究它們隨電流等參數(shù)變化的規(guī)律，得出擬合曲線方程。2.在粗測的基礎(chǔ)上，根據(jù)電阻特性，選擇適當?shù)脑囼灆z測電路，確定測量儀表的量程、等級。實驗時盡量減少系統(tǒng)誤差影響或?qū)ο到y(tǒng)誤差進行修正，完成測試任務(wù)。3.學(xué)習用示波器觀測非線性元件的特性。【實驗提示】圖 6-34-1 硅二極管的伏安特性曲線在一電阻兩端加一定的電壓，就有電流流過它，如果用電壓表測出它的電壓

9、，用電流表測出電流，根據(jù)歐姆定律，能算出磁電阻數(shù)值，若改變電壓大小，電流也隨之變化。如果改變電壓多次，測出幾對數(shù)據(jù)，以為橫坐標，為縱坐標作圖，可得到一條直線。它的斜率即為，采用作圖法可以求得較正確的結(jié)果，上述測量電阻的方法稱為伏安法。伏安特性曲線呈直線狀的電阻，稱為線性電阻。此外，還有一類電阻，例如熱敏電阻、光敏電阻以及半導(dǎo)體二極管的正反向電阻等，在他們兩端所加的電壓與流過它們的電流之間呈非線性關(guān)系，這種電阻稱為非線性電阻。圖 6-34-1 硅二極管的伏安特性曲線圖6-34-1的曲線為半導(dǎo)體硅二極管伏安特性曲線。由圖可見，對不同的電壓（或電流），其呈現(xiàn)的電阻值是不相同的，即電阻值不是一個常數(shù)。

10、二極管在電子線路中應(yīng)用廣泛，主要特點是具有單向?qū)щ姷奶匦裕凑螂娮枧c反向電阻相差幾個數(shù)量級），測出二極管的電壓與電流關(guān)系，對于我們?nèi)チ私夂蛻?yīng)用它是具有實際意義的。在二極管兩端加反向電壓，當反向電壓小于某一數(shù)值時，其反向電流始終很小，僅微安數(shù)量級，它與溫度和材料有關(guān)，對于硅管一般為，而鍺管的反向電流較大，約幾十微安（而鍺管在反向電壓情況下，其對電流的關(guān)斷作用比硅管要差）。溫度升高，此電流也隨之增大，當反向電壓增加到超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加，此時二極管失去了單向?qū)щ娦?，并將因發(fā)熱而燒毀，此電壓稱為二極管的最大反向電壓（即擊穿電壓）。使用時絕不能超過此數(shù)值。除了最大的反向電壓，二級管還有一

11、個重要的參數(shù)，那就是額定的正向電流。當流過二極管的正向電流超過此值時，二級管會因過分發(fā)熱而損壞。二級管的額定正向電流和最大反向電等參數(shù)均可根據(jù)二極管的型號在晶體管手冊中查到。 = 1 * GB2 、要同時測量流經(jīng)二極管的電流和二極管兩端的電壓U有兩種接線方法。一種是電流表內(nèi)接，另一種是電流表外接。如果待測對象阻值高，則電流表應(yīng)該內(nèi)接還是外接？此外，由于電表內(nèi)具有內(nèi)阻，它的接入將引起實驗誤差，應(yīng)該如何修正。 = 2 * GB2 、為了防止過大電流損壞結(jié)和電表，測正反向特性時，線路中應(yīng)分別加上保護電阻。測正向特性時，電流決不能超過二級管額定正向電流（測量過程中，電流最大值測到為止）。測反向特性時，

12、電壓不能超過最大反向電壓（測量過程中，最大反向電流控制在以下）。、為了測繪好實驗曲線，需要合理地選擇實驗數(shù)據(jù)點，在電流隨電壓變化緩慢的部分，數(shù)據(jù)點可少取一些，在電流隨電壓變化較大的部分應(yīng)多取一些。、實驗曲線以電流為縱坐標，電壓為橫坐標，繪制時，注意坐標軸比例的選取，因為正反向的電壓和電流變化的幅度不同，可考慮正反向電壓和電流取不同的比例，以使圖線能反映出測量的準確度。2.用示波器顯示二極管正向伏安特性曲線。提示：為了把特性曲線顯示在熒光屏上，需要將二極管的電壓輸入到示波器的軸，流過二極管的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到示波器的軸。后者只需將一個已知阻值的電阻與二極管串聯(lián)，于是此電阻兩端的電壓與流過二

13、極管的電流成正比。設(shè)計電路時還需要考慮采用什么樣的電源以及電路的公共接地如何選定。所代表的極性，切勿錯接。4.實驗線路連接好后要經(jīng)指導(dǎo)教師檢查，確認無誤后方可通電?！締栴}討論】1. 利用二極管特性曲線說明，為什么用萬用表不同電阻檔測同一只二極管時，正反向電阻讀數(shù)會不同？2.根據(jù)電阻定義，可以從伏安特性曲線上求出某一電壓下的電阻，方法是求出該點斜率的倒數(shù)，根據(jù)測出的二極管伏安特性曲線求出當時的電阻值。（三）減反射膜厚度的測量1、實驗?zāi)康奶栯姵乇砻鏈p反射厚度和折射率是影響太陽電池轉(zhuǎn)換效率的一個重要的參數(shù)。利用橢圓偏置儀法測量電池表面減反射膜厚度和折射率，使學(xué)生能夠加深對這個概念的理解。2、實驗主

14、要內(nèi)容1）講授太陽電池表面減反射膜厚度和折射率對轉(zhuǎn)換效率影響的概念。2）介紹當今常用的測量方法與測量設(shè)備的原理。3）利用橢圓偏置儀法測量電池表面減反射膜厚度和折射率（四）太陽電池電特性的測量1、實驗?zāi)康?）熟悉太陽能電池的工作原理；2）太陽能電池光電特性測量，太陽電池電特性時太陽電池的一個重要參數(shù)。由開路電壓、短路電流、光電轉(zhuǎn)換效率、填充因子、最大功率點處電壓和電流這六個參數(shù)組成。利用太陽電池光電特性測量儀來進行測量，使學(xué)生能夠具體掌握這幾個概念。3)講授太陽電池電特性各個參量的概念，講授標準光強的概念。4）介紹太陽電池電特性測量儀的測量原理與測量方法2、實驗儀器THQTN-1型 太陽能電池特

15、性測試實驗儀。3、實驗原理（1）太陽能電池板結(jié)構(gòu)圖1 太陽能電池板結(jié)構(gòu)示意圖以硅太陽能電池為例：結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。硅太陽電池是以硅半導(dǎo)體材料制成的大面積PN結(jié)經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成，在N型材料層面上制作金屬柵線為面接觸電極，背面也制作金屬膜作為接觸電極，這樣就形成了太陽能電池板。為了減小光的反射損失，一般在表面覆蓋一層減反射膜。 （2）光伏效應(yīng)都用光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上時，半導(dǎo)體PN結(jié)吸收光能后，兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。由于P-N結(jié)耗盡區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在耗盡區(qū)中的電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運動，離開耗盡區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，P-

16、N結(jié)兩端形成光生電動勢，這就是P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)。（3）太陽能電池的特性參數(shù)太陽能電池工作原理基于光伏效應(yīng)。當光照射到太陽能電池板時，太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為電能。在沒有光照時, 可將太陽能電池視為一個二極管,其正向偏壓與通過的電流的關(guān)系為 ( 1 )是二極管的反向飽和電流，稱為理想系數(shù)，是表示PN結(jié)特性的參數(shù)，通常為1。是波爾茲曼常數(shù)，為電子的電荷量，為熱力學(xué)溫度。（可令）當太陽能電池短路時，我們可以得到短路電流為ISC，當太陽能電池開路時，我們可以得到開路電壓為UOC。當太陽能電池接上負載R時，所得到的負載U-I特性曲線如（圖四）所示，負載R可從零至無窮

17、大，當負載為Rm時，太陽能電池的輸出功率最大，它對應(yīng)的最大功率為Pm：Pm=ImUm ( 2 )上式中Im和Um分別為最佳工作電流和最佳工作電壓，將Voc與Isc的乘積與最大輸出功率Pm之比定義為填充因子FF： ( 3 )FF為太陽能電池的重要特性參數(shù)，F(xiàn)F越大則輸出功率越高。FF取決于入射光強、材料禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率定義為太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能Pin之比，即 ( 4 ) 圖2 太陽能電池的伏安特性曲線4、實驗內(nèi)容與步驟（1）測量太陽能電池無光照時的伏安特性（直流偏壓從02V）連接測量電路如圖3所示：圖3利用測得的正向偏

18、壓時IU關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出IU曲線。（2）在不加偏壓時，用白熾燈光照射，測量太陽能電池特性(4片串聯(lián)負載特性更明顯)。連接測量電路如圖3所示：注意：此時光源到太陽能電池距離不能太近，可選擇為35cm之后。圖4（a）測量短路電流、開路電壓和入射光強J。（b）測量電池在不同負載電阻下，對變化關(guān)系，畫出曲線圖。（c）求太陽能電池的最大輸出功率，最佳工作電壓和最佳工作電流。（d）計算填充因子：（e）計算轉(zhuǎn)換效率：（3）電池的串聯(lián)和并聯(lián)電池串聯(lián)輸出電流不變，電壓相加。電池并聯(lián)輸出電壓不變，電流相加。5、數(shù)據(jù)處理光功率Pin為單位面積的入射光強J太陽能電池有效面積；本實驗儀所用太陽能電池單片有效面積為2060

19、mm2；表格自擬。6、注意事項1實驗時，避免太陽光照射太陽能電池。2連接電路時，保持電源開關(guān)斷開。3做實驗時，電壓、電流及入射光強會跳動幾個字（因電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致光源不穩(wěn)定造成），屬正常現(xiàn)象，對實驗結(jié)果無太大影響。（五）太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電教學(xué)實驗1、實驗?zāi)康膶W(xué)習太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的原理和過程2、實驗原理光伏并網(wǎng)發(fā)電，是當前全球最大規(guī)模利用太陽能資源發(fā)電的一種重要方式。并網(wǎng)發(fā)電，是將太陽能電池所發(fā)出的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成波形良好的交流電，直接向電網(wǎng)供電，無儲能裝置，運行可靠性和轉(zhuǎn)換效率比較高，系統(tǒng)的建設(shè)和維護成本較低。3、實驗內(nèi)容（1）不同太陽能電池組件通過跳線，相互結(jié)合后能量轉(zhuǎn)換的綜合比較

20、和實驗，如何提高品質(zhì)和信價比。（2）不同并網(wǎng)逆變器電路拓撲和調(diào)制方式的比較和實驗，確定優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案。（3）不同并網(wǎng)逆變器防孤島保護方式的比較和實驗，探討新技術(shù)。（4）不同并網(wǎng)逆變器的最大功率跟蹤控制方法的比較實驗，探討新方法。（5）方陣電子跟蹤器與MPPT的有效結(jié)合和分離控制方法的比較實驗，探討新技術(shù)。（6）在不同天氣和日照強度下并網(wǎng)逆變器電流的波形，諧波含有率實驗。3、注意事項（單相輸出/三相輸出）：光伏陣列輸出電壓180450VDC；2、并網(wǎng)輸出電壓180456VAC；并網(wǎng)頻率范圍47.851.2Hz；9、工作環(huán)境：溫度-2050，相對濕度90（六）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)實訓(xùn)1、實驗?zāi)康膶W(xué)習太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的原理和過程2、實驗原理采用串聯(lián)式PWM充電控制方式，使充電回路的電壓損失較原二極管充電方式降低一半，充電效率較非PWM高36%;過放恢復(fù)的提升充電，正常的直充，浮充自動控制方式有利于提高蓄電池壽命。多種保護功能，包括蓄電池反接、蓄電池過、欠壓保護、太陽能電池組件短路保護，具有自動恢的輸出過流保護功能，輸出短路保護功能。3、實驗內(nèi)容：一 太陽能電池光伏系統(tǒng)直接負載特性實驗二 接反保護實驗三 太陽能控制器對蓄電池的過充、過放保護實驗四 夜間防反充實驗四、實驗項目學(xué)時分配表序 號實 驗 項 目實驗類別學(xué) 時1（緒論）光伏發(fā)電的工作原理及過程演示