張朋波，張映輝，付 姚，張希珍，陳寶玖

(大連海事大學(xué) 省級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116026)

太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的綠色能源，已成為解決全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的首選新能源之一。目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能的重要途徑，在世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于越來(lái)越重要的地位。太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能的一種裝置，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的核心[1]。太陽(yáng)能電池的效率問(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)，太陽(yáng)能電池發(fā)電特性的測(cè)量與其開(kāi)發(fā)利用有密切聯(lián)系，對(duì)太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)研究已有很多報(bào)道[2-8]，但太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面報(bào)道較少[9]。所以，開(kāi)展太陽(yáng)能電池伏安特性和發(fā)電應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以幫助學(xué)生掌握相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且能為國(guó)家培養(yǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域的人才。

為此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池板伏安特性和發(fā)電應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，能測(cè)量太陽(yáng)能電池板在光照下的伏安特性，演示太陽(yáng)能電池發(fā)電-儲(chǔ)電-用電過(guò)程中充電控制器和直流-交流逆變器的功能，加深學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電特性和原理的理解，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。該實(shí)驗(yàn)已在我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)多年，收到良好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

太陽(yáng)能電池發(fā)電原理是基于光電效應(yīng)中的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池由N型和P型半導(dǎo)體材料接觸形成PN結(jié)。當(dāng)特定頻率的光輻照到一塊非均勻半導(dǎo)體上時(shí)，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，載流子重新分布導(dǎo)致半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如圖1所示。如果構(gòu)成回路就會(huì)產(chǎn)生電流，即光生電流。這種內(nèi)建電場(chǎng)引起的光電效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。

圖1 光輻照下的PN結(jié)

PN結(jié)電流與電壓的關(guān)系為：

(1)

有兩種極端情況是在太陽(yáng)能電池特性分析中必須考慮的。其一是負(fù)載電阻RL=0，這種情況下加載在負(fù)載電阻上的電壓為零，PN結(jié)處于短路狀態(tài)，此時(shí)光電池輸出電流稱(chēng)為短路電流ISC，即I=ISC=IL。其二是負(fù)載電阻RL→∞，外電路處于開(kāi)路狀態(tài)，開(kāi)路電壓Voc。

太陽(yáng)能電池在閉路負(fù)載工作下，最大輸出功率為

Pm=ImVm

(2)

Im和Vm為最佳工作電流和電壓。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)驗(yàn)板、太陽(yáng)能電池板、鹵燈光源(模擬太陽(yáng)光)和導(dǎo)線(xiàn)。

圖2 太陽(yáng)能電池發(fā)電應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)驗(yàn)板由9個(gè)模塊組成：1) 太陽(yáng)能充電控制器：控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)的作用；2) 12 V蓄電池，儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化的電能或?yàn)樨?fù)載供電；3) 交流逆變器：將直流電壓轉(zhuǎn)為交流電壓；4)電阻模塊；5)直流風(fēng)扇(12 V，0.1 A)；6)直流電壓表(0～30 V)和電流表(0～500 mA)；7)交流電壓表；8)電容模塊；9)3 W節(jié)能燈。

太陽(yáng)能電池板(12 V)：太陽(yáng)能電池是光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置，將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)到蓄電池中或直接帶負(fù)載工作，開(kāi)路電壓：12 V。

鹵燈光源：模擬太陽(yáng)光，高度可調(diào)，光譜范圍300～3 000 nm，功率300 W。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 觀(guān)測(cè)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和短路電流

將電池板放于鹵燈下模擬一定光照強(qiáng)度，以匹配電阻模塊作為太陽(yáng)能電池的可變電阻，將匹配電阻旋至最小，觀(guān)察直流電流表，記錄下太陽(yáng)能電池的短路電流Isc；再旋至最大，觀(guān)察直流電壓表，記錄下太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓Uoc，填于表1中。同時(shí)，觀(guān)察不同遮蓋度下開(kāi)路電壓和短路電流的變化，并記錄1/2和1/4遮蓋下的開(kāi)路電壓和短路電流數(shù)值，填入表1，分析遮蓋度對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電的影響。

3.2 測(cè)量太陽(yáng)能電池的輸出電流和輸出電壓

從低到高調(diào)節(jié)匹配負(fù)載模塊的電阻值，按照電壓從2 V到18 V增加，每次增加2 V，在表2中記錄輸出電流值。最后繪出太陽(yáng)能電池板的U-I伏安特性曲線(xiàn)并計(jì)算輸出功率Po=U×I。

3.3 演示太陽(yáng)能電池發(fā)電帶負(fù)載工作和電容充放電

太陽(yáng)能電池發(fā)電直接帶負(fù)載直流風(fēng)扇工作，觀(guān)測(cè)直流電流表和電壓表示數(shù)。接著，讓太陽(yáng)能電池發(fā)電給電容充電，觀(guān)察充電指示燈，最后讓電容放電給負(fù)載直流風(fēng)扇供電。

3.4 觀(guān)察太陽(yáng)能充電控制器和逆變器的功能

將光源照在太陽(yáng)能電池上給蓄電池充電，觀(guān)察太陽(yáng)能充電控制器指示燈變化。再通過(guò)逆變器連接的負(fù)載節(jié)能燈，實(shí)現(xiàn)直流(12 V)轉(zhuǎn)交流(220 V)升壓和充電控制器控制蓄電池放電過(guò)程，觀(guān)察點(diǎn)亮節(jié)能燈和交流電壓表的示數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和短路電流

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，表1給出了三種遮蓋條件下太陽(yáng)能電池板的最大開(kāi)路電壓、短路電流，無(wú)遮蓋的太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓為20.0 V和短路電流為198 mA。相比無(wú)遮蓋的情況，1/4遮蓋和1/2遮蓋度下，太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓降低，而短路電流為零。讓學(xué)生直接理解在利用太陽(yáng)能電池發(fā)電過(guò)程中太陽(yáng)能電池板不能被明顯的遮蓋。所以，為保障正常發(fā)電必須要及時(shí)清理太陽(yáng)能電池板上的遮蓋物。

表1 太陽(yáng)能電池板的最大開(kāi)路電壓和短路電流

4.2 太陽(yáng)能電池的輸出電流和輸出電壓

通過(guò)從低到高調(diào)節(jié)匹配電阻值，測(cè)定太陽(yáng)能電池板的輸出電流隨輸出電壓的變化，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3繪制了太陽(yáng)能電池板伏安特性曲線(xiàn)。由表2 和圖3可知，隨著太陽(yáng)能電池輸出電壓的增大，輸出電流會(huì)迅速下降。太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率發(fā)生在輸出電壓14 V時(shí)，輸出電流為170 mA，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大輸出功率為2.38 W。讓學(xué)生通過(guò)分析太陽(yáng)能電池板伏安特性曲線(xiàn)，掌握太陽(yáng)能電池輸出功率與負(fù)載之間的關(guān)系。

表2 太陽(yáng)能電池板的輸出電流、輸出電壓和功率

電壓/V

4.3 演示太陽(yáng)能電池發(fā)電帶負(fù)載工作和電容充放電

太陽(yáng)能電池板直接連接小風(fēng)扇，接上直流電流表和電壓表，打開(kāi)鹵燈，負(fù)載風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4(a)所示。

圖4 太陽(yáng)能電池板直接帶負(fù)載風(fēng)扇(a)和電容充放電(b)

通過(guò)觀(guān)測(cè)，直流電流表和電壓表示數(shù)分別為16 V和130 mA，太陽(yáng)能電池板輸出功率為2.08 W。隨后，太陽(yáng)能電池板直接連接電容，觀(guān)察到充電指示燈亮起。接著讓電容放電為負(fù)載風(fēng)扇供電，觀(guān)察到風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4(b)所示。讓學(xué)生直觀(guān)理解單太陽(yáng)能電池板發(fā)電能力和應(yīng)用。

4.4 演示太陽(yáng)能充電控制器和逆變器的功能

太陽(yáng)能電池板連接充電控制器，充電控制器接儲(chǔ)能蓄電池，觀(guān)察充電指示燈，如圖5(a)所示。接著，充電控制器連接逆變器，逆變器接負(fù)載節(jié)能燈，觀(guān)察到節(jié)能燈亮起，交流電壓表示數(shù)為210 V，如圖5(b)所示。讓學(xué)生直觀(guān)理解太陽(yáng)能充電控制器和逆變器的功能。

圖5 太陽(yáng)能發(fā)電控制器充電放電(a)和太陽(yáng)能電池板發(fā)電應(yīng)用后的演示(b)

5 結(jié) 語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是綠色能源利用的主要方式之一。本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池板伏安特性和發(fā)電應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，能測(cè)量太陽(yáng)能電池板在光照下的伏安特性，演示太陽(yáng)能電池發(fā)電-儲(chǔ)電-用電過(guò)程中充電控制器和直流-交流逆變器的功能，加深學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理、光伏發(fā)電技術(shù)和應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力。該實(shí)驗(yàn)已在我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)多年，受到良好的教學(xué)效果。本實(shí)驗(yàn)用到了能量轉(zhuǎn)化法和物理模擬法，在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，學(xué)生可以進(jìn)行太陽(yáng)能電池組發(fā)電特性和溫度效應(yīng)的系列實(shí)驗(yàn)研究。