陸世杰
(哈爾濱理工大學(xué) 理學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)
太陽能電池,也稱為光伏電池,是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽能電池組件,再按需要將一塊以上的組件組合成一定功率的太陽電池方陣,經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流交流變換裝置等相配套,即構(gòu)成太陽能電池發(fā)電系統(tǒng),也稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)[1-3]。它具有不消耗常規(guī)能源、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。目前,太陽能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域(通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等)的重要電源[7,8]。
針對(duì)太陽能電池的特性進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,給出不同照度下太陽能電池的伏安特性、開路電壓U0和短路電流IS;在不同照度下,測(cè)定太陽能電池的輸出功率P和負(fù)載電阻R的函數(shù)關(guān)系;確定太陽能電池的最大輸出功率Pmax以及相應(yīng)的負(fù)載電阻Rmax和填充因數(shù);給出了太陽能電池應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方案,讓學(xué)生參與設(shè)計(jì),調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣,啟發(fā)創(chuàng)新思維[9-10]。
當(dāng)光照射在距太陽能電池表面很近的PN結(jié)時(shí),只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg,則在P區(qū)、N區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下分別移向N區(qū)和P區(qū)。導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累,在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng),在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì),其方向由P區(qū)指向N區(qū)。這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)[11]。
圖1 太陽能電池的工作原理
太陽能電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)的。如圖1所示,當(dāng)光照射太陽電池時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)到P區(qū)的光生電流IS。同時(shí),由于PN結(jié)二極管的特性,存在正向二極管電流ID,此電流方向從P區(qū)到N區(qū),與光生電流相反。因此,實(shí)際獲得的電流I為兩個(gè)電流之差:
I=IS(Φ)-ID(U)
(1)
式中VD為結(jié)電壓,I0為PN結(jié)的反向飽和電流,N稱為理想系數(shù)(N值),表示PN結(jié)特性的參數(shù),通常在1~2之間,q為電子電荷,kB為波爾茲曼常數(shù),T為溫度。
如果連接一個(gè)負(fù)載電阻R,電流I可以被認(rèn)為是兩個(gè)電流之差,即取決于輻照度Φ的負(fù)方向電流IS,以及取決于端電壓U的正方向電流ID(U)。由此可以得到太陽能電池伏安特性的典型曲線(見圖2)。
當(dāng)太陽能電池的輸出端短路時(shí),可以得到短路電流,它等于光生電流IS。當(dāng)太陽能電池的輸出端開路時(shí),可以得到開路電壓U0。
在固定的光照強(qiáng)度下,光電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R。太陽能電池的輸出功率在負(fù)載電阻為Rmax時(shí)達(dá)到一個(gè)最大功率Pmax,Rmax近似等于太陽能電池的內(nèi)阻Ri。
Ri=U0/IS
(2)
這個(gè)最大的功率比開路電壓和短路電流的乘積小(見圖2),它們之比為
(3)
F稱為填充因數(shù)。
此外,太陽能電池的輸出功率
P=U·I
(4)
是負(fù)載電阻R的函數(shù)
R=U/I
(5)
太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率η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之比,即
(6)
用幾個(gè)太陽能電池組合成一個(gè)太陽能電池。串聯(lián)會(huì)產(chǎn)生更大的開路電壓U0,而并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生更大的短路電流IS。在實(shí)驗(yàn)中,把2個(gè)太陽能電池串聯(lián),分別記錄在四個(gè)不同的光照強(qiáng)度時(shí)電流和電壓特性。光照強(qiáng)度通過改變光源的距離和電源的功率來實(shí)現(xiàn)。
測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置主要由太陽能電池特性測(cè)試儀,亮度可調(diào)的光源,太陽能電池板,可變電阻組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。
測(cè)試儀面板上同時(shí)顯示太陽能電池的輸出電壓、電流和入射光強(qiáng)。
把太陽能電池插到插件板上,用兩個(gè)橋接插頭把上邊的負(fù)極和下面的正極連接起來,串聯(lián)起2個(gè)太陽能電池;插上電位器作為一個(gè)可變電阻,然后用橋接插頭把它連接到太陽能電池上;連接電流表,使它和電池、可變電阻串聯(lián);連接電壓表使之與電池并聯(lián);連接光源與電源,使燈與電池成一線,以使電池均勻受光;接通電路,將可變電阻器阻值調(diào)為最小以實(shí)現(xiàn)短路,并改變光源的距離和調(diào)節(jié)電源輸出功率,使短路電流大約為45 mA,同時(shí)記錄入射光強(qiáng);逐步改變負(fù)載電阻值,分別讀取電流和電壓值,記入表1中;斷開電路,測(cè)量并記錄開路電壓;調(diào)節(jié)電源功率,分別使短路電流約為35 mA,25 mA和15 mA,并重復(fù)上述測(cè)量。
表1 不同入射光強(qiáng)下太陽能電池的輸出電壓U和電流I數(shù)據(jù)(短路電流IS開路電壓U0)
由表1數(shù)據(jù)做出的I-U曲線如圖4。
圖4 不同入射光強(qiáng)下太陽能電池測(cè)量太陽能電池的I-U曲線
由圖4可以看出,入射的光強(qiáng)越大,太陽能電池輸出的電流越大,在負(fù)載電阻小的情況下,太陽能電池可以看成一個(gè)恒流源。在負(fù)載電阻大的情況下,太陽能電池相當(dāng)于一個(gè)恒壓源。
由表1中的數(shù)據(jù),計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率P和電阻R,得到P-R關(guān)系曲線如圖5。對(duì)應(yīng)于最大功率的負(fù)載電阻值Rmax和的內(nèi)阻值Ri如表2。
圖5 P-R曲線
表2 對(duì)應(yīng)于最大功率的負(fù)載電阻值Rmax和內(nèi)阻值Ri對(duì)照表
由圖5和表2可以看出,在固定的光照強(qiáng)度下,太陽能電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R。太陽能電池的輸出功率在負(fù)載電阻為Rmax時(shí)達(dá)到一個(gè)最大功率Pmax,Rmax近似等于太陽能電池的內(nèi)阻Ri。即負(fù)載電阻接近于太陽能電池的內(nèi)阻時(shí),輸出功率最大。
由表1中的數(shù)據(jù),計(jì)算出個(gè)最大功率Pmax,與開路電壓與短路電流的乘積之比,得到太陽能電池的填充因數(shù)如表3。
表3 太陽能電池的填充因數(shù)
由太陽能電池的最大輸出功率Pmax和入射光強(qiáng)計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率如表4。
表4 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率
由此可得太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η=17.7%。與實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)(16~20%)相符[12]。
為了讓學(xué)生了解太陽能電池的應(yīng)用。我們?yōu)閷W(xué)生提供了應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊,包括電容、LED、喇叭、風(fēng)扇[13,14],如圖6。
圖6 應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊
設(shè)計(jì)要求:
1.根據(jù)太陽能電池的特性,用該儀器設(shè)計(jì)光功率計(jì);
2.由提供的太陽能電池應(yīng)用模塊,用該儀器設(shè)計(jì)太陽能充電器;
3.由提供的太陽能電池應(yīng)用模塊,用該儀器設(shè)計(jì)太陽能LED燈;
4.由提供的太陽能電池應(yīng)用模塊,用該儀器設(shè)計(jì)太陽能喇叭;
5.由提供的太陽能電池應(yīng)用模塊,用該儀器設(shè)計(jì)太陽能風(fēng)扇。
還可以擴(kuò)展為設(shè)計(jì)太陽能溫度計(jì)和太陽能溫度報(bào)警器;也可以作為“電表的改裝與校準(zhǔn)”“自組電橋測(cè)電阻”實(shí)驗(yàn)的電源。該儀器已被國(guó)內(nèi)10多所高校使用,對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練效果顯著,反饋效果良好。
最后給出了太陽能電池的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案和要求,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考,配合學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律,學(xué)會(huì)從實(shí)際出發(fā)實(shí)事求是地分析問題;把要觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前,有助于學(xué)生由現(xiàn)象到本質(zhì),由表及里地全面認(rèn)識(shí)問題,使學(xué)生充分認(rèn)知并掌握理論知識(shí)及其應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐互動(dòng)。