多元化合物薄膜太阳能电池,太阳电池板特性实验 -爱游戏平台

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太阳电池特性测试实验

太阳能是人类一种最重要可再生能源,地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。利用太阳能发电方式有两种:一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。其中,光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的,称为太阳能光伏技术,而光—电转换的基本装置就是太阳电池。

太阳电池根据所用材料的不同可分为:硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中,硅太阳电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高,技术也最为成熟,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低,重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力,但稳定性不高,直接影响了实际应用。

太阳电池的应用很广,已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门,尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前,中国已成为全球主要的太阳电池生产国,主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区,已经形成了各具特色的太阳能产业集群。

一、 实验目的

1. 熟悉太阳电池的工作原理; 2. 太阳电池光电特性测量。

二、 实验原理

(1) 太阳电池板结构

以硅太阳电池为例:结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积pn 结经串联、并联构成,在n 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极,背面也制作金属膜作为接触电极,这样就形成了太阳电池板。为了减小光的反射损失,一般在表面覆盖一层减反射膜。 (2) 光伏效应

当光照射到半导体pn 结上时,半导体pn 结吸

收光能后,两端产生电动势,这种现象称为光生伏特效应。由于p-n

结耗尽区存在着较强的

图1 太阳能电池板结构示意图

1

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,

是一个半导体光电二极

管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池

串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新

型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点

.

太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可

以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。

太阳能电池根据所用材料的不同,可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多

层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用

中居主导地位。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为

23%,

规模生产时

的效率为

15%

。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其

成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较

,

成本低廉,

而效率高于非晶硅薄膜电池,

其实验室最高转换效

率为 <

太阳能发电系统简介

一. 系统组成

太阳能发电系统分为离网发电系统、并网发电系统及分布式发电系统:这里主要介绍离网发电系统。 1、离网发电系统主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,如输出电源为交流220v或110v,还需要配置逆变器。 2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统,特别是光伏建筑一体化发电系统,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是并网发电的主流。 3、分布式发电系统,又称分散式发电或分布式供能,是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统,以满足特定用户的需求,支持现存配电网的经济运行,或者同时满足这两个方面的要求。   分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备,另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下,光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能,经过直流汇流箱集中送入直流配电柜,由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载,多余或不足的电力通过联接电网来调节。   

二. 单个元器件介绍

(一)太阳能板

主要类型有: 晶体硅电池板:多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。 非晶硅电池板:薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。 化学染料电池板:染料敏化太阳能电池。 (1)单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高的达到24%,这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,但制作成本很大,以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。 (2)多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多,但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少,其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些,材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低,因此得到大量发展。此外,多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲,单晶硅太阳能电池还略好。 (3)非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池,它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同,工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低,它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低,国际先进水平为10%左右,且不够稳定,随着时间的延长,其转换效率衰减。 (4)多元化合物太阳电池 多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种:a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度cu(in, ga)se2薄膜太阳能电池) cu(in, ga)se2是一种性能优良太阳光吸收材料,具有梯度能带间隙(导带与价带之间的能级差)多元的半导体材料,可以扩大太阳能吸收光谱范围,进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18%,而且,此类薄膜太阳能电池,未发现有光辐射引致性能衰退效应(swe),其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%,在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

(二)控制器

太阳能控制器是由专用处理器cpu、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。 太阳能控制器 太阳能控制器 ■ 主要特点: 1、使用了单片机和专用软件,实现了智能控制; 2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终止电压是由放电率曲线修正的控制点,消除了单纯的电压控制过放的不准确性,符合蓄电池固有的特性,即不同的放电率具有不同的终止电压。 3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制;以上保护均不损坏任何部件,不烧保险; 4、采用了串联式pwm充电主电路,使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半,充电效率较非pwm高3%-6%,增加了用电时间;过放恢复的提升充电,正常的直充,浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命;同时具有高精度温度补偿; 5、直观的led发光管指示当前蓄电池状态,让用户了解使用状况; 6、所有控制全部采用工业级芯片(仅对带i工业级控制器),能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制,定时控制精确。 7、取消了电位器调整控制设定点,而利用了e方存储器记录各工作控制点,使设置数字化,消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素; 8、使用了数字led显示及设置,一键式操作即可完成所有设置,使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;

(三)逆变器

为能向220vac的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用dc-ac逆变器。 逆变器又分为离网逆变器和并网逆变器。 还要根据用电器的要求按波形分类: 正弦波的波形是连续不断的,在使用过程中十分稳定,性能良好。修正波的话,波形由折线组成,不能够使用相对精密的仪器,尤其是制氧机等一些医疗仪器。纯正弦波的才能称为正弦波。修正弦波是一种介于正弦波和方波之间的一种波形,其输出波形处于正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔,但准正弦波的波形仍然是由折线组成,属于方波范畴。

(四)蓄电池

蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。太阳能蓄电池是‘蓄电池’在太阳能光伏发电中的应用,采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池,胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要是:铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池,这两类蓄电池,因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站。

三、选择要求

基本要求要从用电器的耗电量开始算起: 以100w用电器每天使用6小时为例 (1).计算每天消耗瓦时数(包括逆变器损耗),若逆变器转换效率为90%,则输出功率为100w时,实际需要输出功率为100/90%=111w,按每天用电器使用5小时则耗电量为111w*5h=555wh (2)计算太阳能板,按每日有效照射时间为6小时 太阳能电池板输出功率为555w/6h/70%=130w,70%为充电过程中太阳能电池板的实际使用功率。 即130w的太阳能板有效光照6小时可供100w的用电器使用5小时。 下面表1为相应的选取要求。

器件要求太阳能板一般要求 <100w 12v输出;>100w 18v 、24v输出;>220w 48v输出控制器与电池板输出功率一致,电流用功率除以电压就行蓄电池电压与电池板一致,容量用 耗电量/电压,例如555wh/24v=24ah逆变器逆变器的功率要大于用电器的才能带起来,电压要大于等于电池的

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