太陽能光伏材料與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

太陽能光伏材料與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?/p>

實(shí)驗(yàn)一、太陽光輻射能的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)二、單體光伏電池的制備實(shí)驗(yàn)三、不同材料光伏材料電池的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)四、太陽能光伏電池組件的制作與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)五太陽能光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)性)第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)一、太陽光輻射能的檢測(cè)

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解太陽能與太陽輻射的基本概念。檢測(cè)太陽的輻射功率。2、實(shí)驗(yàn)原理1）太陽能與太陽輻射太陽是一座聚合核反應(yīng)器，發(fā)射功率為3.8X1026W，中心溫度約2X107K。太陽表面是6000K的黑體。太陽輻射的光譜的波長(zhǎng)為10pm一10km，其中99％的能量集中在0.276μm一4.96μm之間。地球一年接受太陽的總能量為1.8X108kwh，僅為太陽幅射總能量的20億分之一。除光能、熱能外，風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能及礦物燃料均來源于太陽能。對(duì)一個(gè)具體地理位置而言，太陽對(duì)地表面的輻照取決于地球繞太陽的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)、大氣層的吸收與反射、氣象條件(陰、雨、晴)。第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二2)大氣質(zhì)量數(shù)Thesolarconstantis1.353kW/m2.太陽常數(shù)：1.353kW/m2特規(guī)定：太陽光在大氣層外垂直輻照時(shí)，大氣質(zhì)量數(shù)為AM0；太陽常數(shù)So=1.353kW／m2。其他人射角的大氣質(zhì)量(AM)數(shù)可用AMl與地面的夾角θ的關(guān)系表達(dá)，即AM=l／cosθ(1—1)AM1：太陽入射光與地表面的夾角為90OAMl.5；當(dāng)太陽的天頂角θ為48．2O時(shí)，1kW/m2AM2：當(dāng)太陽的天頂角θ為60O時(shí)。一般在地面應(yīng)用：Aml.5的情況。AM0用于太空的情況。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二3)日照的地理分布具體地點(diǎn)的日照取決于該地點(diǎn)所在的緯度和季節(jié)太陽光譜：如圖1－2所示（參考書3）。圖1－1世界地面年總輻射量（單位：千卡/厘米2年）（參考書3）為9月晝夜平分日的日射量等高線。在大多數(shù)地區(qū)這個(gè)月日射量接近于平均水平。第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二太陽光譜：如所圖1－2示（參考書3）。圖1－2太陽光譜第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二4）太陽輻射能的測(cè)量（1）最常用的是總輻射和直接輻射的測(cè)量。測(cè)量直接輻射可用直接輻射表（圖1－3）。

（2）光強(qiáng)計(jì)測(cè)量：我們采用JG—2型光功率計(jì)來大致測(cè)量。圖1－3直接輻射表第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二1）JG—2型光功率計(jì)(光電轉(zhuǎn)換放大器)。本儀器主要由光電探測(cè)頭、電流電壓變換器、電壓放大器、數(shù)顯表和電壓表組成，可以進(jìn)行激光功率、功率密度(照度)的測(cè)量。主要技術(shù)指標(biāo)：波長(zhǎng)范圍400nm～1100nm；標(biāo)定波長(zhǎng)670nm，632．8nm，514．5nm，488．Onm，457．9nm，441．6nm量程：0.01μW～100mW；測(cè)量分檔2μW，20μW，200μW，2mW，20mW，200mW數(shù)字顯示：3（1／2）字；不準(zhǔn)確度：±5％；模擬輸出滿刻度5V；輸入電壓：AC．220V50HZ；功耗：<10W3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1）學(xué)習(xí)太陽光輻射的基本知識(shí)。2）對(duì)于不同的時(shí)間，天氣采用以上所介紹的JG—2型光功率計(jì)來測(cè)量太陽光輻射功率。方法是：用光探頭按照不同的方向，測(cè)出光強(qiáng)Q,再除以光探頭的面積S光強(qiáng)（光功率/單位面積）：I=Q/S單位：mW/cm23）整理數(shù)據(jù)，作出曲線進(jìn)行分析。并針對(duì)大連市的日照情況，計(jì)算大連市某一天某一時(shí)刻的太陽光輻射光強(qiáng)。并作出I－λ數(shù)據(jù)表以及曲線。4）寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)二、單體光伏電池的制備切片表面清洗腐蝕制結(jié)去邊制減反射膜電極制備檢測(cè)圖2－2多晶硅太陽能電池工藝流程框圖圖2－3柱形晶粒的多晶硅太陽能電池結(jié)構(gòu)采用影視錄像第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)三、不同材料光伏材料電池的性能檢測(cè)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臋z測(cè)光伏材料的光電響應(yīng)特性，用激光光源，氙燈和透鏡系統(tǒng)檢測(cè)光伏電池的光譜響應(yīng)；測(cè)定光照條件下的電流電壓特性。2、設(shè)備與儀器1）HN600型氦氖激光器；2）氙燈3)JG—2型激光功率指示器(光電轉(zhuǎn)換放大器)（如前述）（圖3－1氦氖激光器結(jié)構(gòu)示意圖）；4)Angelar型號(hào)多用表。5)單體光伏電池曲線檢測(cè)儀（電子負(fù)載）；6）單晶，多晶，非晶材料的單體太陽能電池；7）萬用電表。圖3－1氦氖激光器結(jié)構(gòu)示意圖圖3－2氙燈結(jié)構(gòu)示意圖第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)三、不同材料光伏材料電池的性能檢測(cè)3、實(shí)驗(yàn)原理：1）伏安特性曲線，短路電流和開路電壓參數(shù)：短路電流Isc，開路電壓Voc，工作點(diǎn)，負(fù)載線，最大功率Pm圖3－4太陽電池的伏-安特性曲線第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二2）輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和填充因子輸出功率，P=VI。在曲線上可得到一點(diǎn)，其工作電壓和工作電流之積最大，該點(diǎn)稱為太陽電池的最佳工作點(diǎn)，所得的乘積稱為太陽電池的最大輸出功率，即Pm=ImVm。太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率:太陽電池的最大輸出功率Pm與垂直入射到電池表面上的輸入功率Pi和太陽電池面積A之比，稱為，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換效率，用百分?jǐn)?shù)表示，η=Pm/APix100%太陽電池的最大輸出功率Pm與開路電壓Voc和短路電流Isc乘積的比值稱為填充因子，它是衡量太陽電池輸出特性好壞的重要指標(biāo)之一，用數(shù)學(xué)式表示如下：FF=Pm/VocIsc對(duì)于一定的開路電壓Voc值和短路電流Isc值的特性曲線來說，填充因子FF越接近于1，電池的轉(zhuǎn)換效率越高，伏-安特性曲線的硬度（曲線的彎曲度稱為硬度）越大。第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二3）太陽電池的溫度特性和光電特性圖3－5示出了硅太陽電池的溫度特性，硅太陽電池的光電特性表明，短路電流Isc隨光強(qiáng)增加而增加，加很快，而強(qiáng)光下趨于飽和。圖3－5硅太陽電池的溫度特性第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1)采用氦氖激光器；利用氦氖激光器的激光光束(632．8nm)照射太陽電池；并測(cè)其電流密度j。利用氦氖激光器或氙燈，光功率計(jì)，透鏡系統(tǒng)，多用表搭建檢測(cè)系統(tǒng)如圖3－6所示：2)在光束能量不變的前提下，用激光功率計(jì)測(cè)光束能量e。太陽電池在入＝632.8nm處的絕對(duì)響應(yīng)Qa(入)為：Qa=j/e因各波長(zhǎng)相對(duì)響應(yīng)的刻度不同，由方程式(4—16)就可按比例確定出各波長(zhǎng)共同的比例系數(shù)k來。數(shù)據(jù)處理，作圖線。3)制作檢測(cè)（I-V曲線），電路圖如圖3-7所示。以氙燈模擬自然光，并采用自然陽光，檢測(cè)I-V曲線。數(shù)據(jù)處理，作圖線。計(jì)算出效率，填充因子。氦氖激光器光功率計(jì)多用表太陽電池+-圖3－6太陽能電池性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二AV太陽能電池滑動(dòng)變阻器圖3-8測(cè)試太陽能電池伏安曲線電路圖圖3-7自制的氙燈第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)四、太陽能光伏電池組件的制作與檢測(cè)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)太陽能光伏電池組件的連接法，用層壓機(jī)制作光伏電池組件；監(jiān)測(cè)太陽能光伏電池組件的性能(I-V曲線)。2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器1）晶體硅單體太陽能電池，以及太陽能電池組件；2）焊條，烙鐵，框架，鋼化玻璃，粘結(jié)劑，TPF復(fù)合膜（底板），光刻膠等材料；3）層壓機(jī)4）太陽能電池組件特性檢測(cè)儀5）光刻機(jī)第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二圖4－1幾種典型的太陽能電池組件封裝結(jié)構(gòu)剖面圖第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二圖4－3平板式太陽能電池組件制作工藝流程圖

單體電池制備互連條上電極焊互連條單體電池分選組合焊接組合電池清洗組合電池測(cè)試迭層準(zhǔn)備玻璃清洗壓層封裝EVATPF準(zhǔn)備固化邊框封裝組件包裝組件測(cè)試組件檢驗(yàn)第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1）學(xué)習(xí)太陽能光伏電池組件的連接法，按照?qǐng)D4－7，以混合式的方法連接圖4－7太陽電池方陣連接法2）按照?qǐng)D圖4－3的步驟，用層壓機(jī)制作光伏電池組件；3）檢測(cè)太陽能光伏電池組件的性能，作出I-V曲線。4）寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告圖4－7太陽電池方陣連接法第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二實(shí)驗(yàn)五太陽能光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶⒐夥姵亟M件，控制器，蓄電池以及用發(fā)光二極管作為負(fù)載組成小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并檢測(cè)其性能。

2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器光伏電池組件2）蓄電池3）發(fā)光二極管4）控制器5）導(dǎo)線，開關(guān)等元件3、實(shí)驗(yàn)原理一、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理(一)系統(tǒng)框圖獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)可分為(a)直流光伏系統(tǒng)；(b)交流光伏系統(tǒng)；(c)混合光伏系統(tǒng)；(d)有后備能源和放電器的光伏系統(tǒng)。其主要區(qū)別在于系統(tǒng)中是否有逆變器。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖5-1所示。第二十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二

(二)工作原理

吸收陽光轉(zhuǎn)化成電能，在防反充二極管的控制下為蓄電池組充電。負(fù)載通過開關(guān)與控制器連接?？刂破髫?fù)責(zé)保護(hù)蓄電池，防止出現(xiàn)過充電或過放電狀態(tài)；有的控制器能顯示充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)。在交流光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC-AC逆變器將蓄電池組提供的直流電變成能滿足交流負(fù)載需要的交流電。

防反充二極管也稱為“阻塞二極管”或“隔離二極管”。其功能是利用二極管的單向?qū)щ娦?，防止五日照時(shí)蓄電池組通過太陽能電池方陣放電。防反充二極管的最大輸出電流必須大于太陽能電池方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的最高電壓。在太陽能電池方陣工作時(shí)，防反充二極管兩端的電壓降要盡量低(硅二極管一般為0．6V，鍺二極管為0．3V，大功率肖特基二極管可以在0．3V以下)，以便降低系統(tǒng)的功耗。

圖5-1(a)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖1圖5-1(b)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖2第二十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期二4、實(shí)驗(yàn)步驟：1）用以上簡(jiǎn)化沒計(jì)計(jì)算方法設(shè)計(jì)一個(gè)小型太陽能供電的系統(tǒng)。條件：負(fù)載功率5瓦，工作電壓12伏，工作電流小于0.5安，工作時(shí)間4小時(shí)，按照大連當(dāng)?shù)啬贻椛淇偭坑?jì)算，最低氣溫一10℃，蓄電池放置地點(diǎn)溫度一8℃，最長(zhǎng)陰雨天數(shù)3天，該系統(tǒng)供照明、電視用。要求：設(shè)計(jì)選用的太陽能電池總功率P，安裝方法，蓄電池用量。2）運(yùn)用各個(gè)部件，安裝小型太陽能供電的系統(tǒng)，畫出框圖，測(cè)出實(shí)際（晴天、陰天）的電池伏安特性曲線，和負(fù)載的電流電