太阳能电池伏安特性和发电应用实验教学实践

张朋波，张映辉，付 姚，张希珍，陈宝玖

(大连海事大学 省级物理实验教学示范中心，辽宁 大连 116026)

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，已成为解决全球能源危机和环境污染的首选新能源之一。目前太阳能光伏发电是利用太阳能的重要途径，在世界各国经济发展中处于越来越重要的地位。太阳能电池是将太阳能转为电能的一种装置，也是太阳能光伏发电的核心[1]。太阳能电池的效率问题一直是人们关注的重点，太阳能电池发电特性的测量与其开发利用有密切联系，对太阳能电池的实验研究已有很多报道[2-8]，但太阳能电池实验教学方面报道较少[9]。所以，开展太阳能电池伏安特性和发电应用方面的实验教学不仅可以帮助学生掌握相关理论基础知识，而且能为国家培养太阳能光伏发电领域的人才。

为此，本实验设计了太阳能电池板伏安特性和发电应用实验，能测量太阳能电池板在光照下的伏安特性，演示太阳能电池发电-储电-用电过程中充电控制器和直流-交流逆变器的功能，加深学生对太阳能发电特性和原理的理解，提高学生理论联系实际的能力。该实验已在我校大学物理实验课程中开设多年，收到良好的教学效果。

1 实验原理

太阳能电池发电原理是基于光电效应中的光生伏特效应，将光能转化为电能。太阳能电池由N型和P型半导体材料接触形成PN结。当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势，如图1所示。如果构成回路就会产生电流，即光生电流。这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。

图1 光辐照下的PN结

PN结电流与电压的关系为：

(1)

有两种极端情况是在太阳能电池特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻RL=0，这种情况下加载在负载电阻上的电压为零，PN结处于短路状态，此时光电池输出电流称为短路电流ISC，即I=ISC=IL。其二是负载电阻RL→∞，外电路处于开路状态，开路电压Voc。

太阳能电池在闭路负载工作下，最大输出功率为

Pm=ImVm

(2)

Im和Vm为最佳工作电流和电压。

2 实验设计和实验装置

设计的实验装置如图2所示，包括太阳能发电实验板、太阳能电池板、卤灯光源(模拟太阳光)和导线。

图2 太阳能电池发电应用实验

太阳能发电实验板由9个模块组成：1) 太阳能充电控制器：控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护和过放电保护的作用；2) 12 V蓄电池，储存太阳能电池转化的电能或为负载供电；3) 交流逆变器：将直流电压转为交流电压；4)电阻模块；5)直流风扇(12 V，0.1 A)；6)直流电压表(0～30 V)和电流表(0～500 mA)；7)交流电压表；8)电容模块；9)3 W节能灯。

太阳能电池板(12 V)：太阳能电池是光—电转换的基本装置，将太阳的光能转换为电能，存储到蓄电池中或直接带负载工作，开路电压：12 V。

卤灯光源：模拟太阳光，高度可调，光谱范围300～3 000 nm，功率300 W。

3 实验内容

3.1 观测太阳能电池的开路电压和短路电流

将电池板放于卤灯下模拟一定光照强度，以匹配电阻模块作为太阳能电池的可变电阻，将匹配电阻旋至最小，观察直流电流表，记录下太阳能电池的短路电流Isc；再旋至最大，观察直流电压表，记录下太阳能电池的开路电压Uoc，填于表1中。同时，观察不同遮盖度下开路电压和短路电流的变化，并记录1/2和1/4遮盖下的开路电压和短路电流数值，填入表1，分析遮盖度对太阳能电池发电的影响。

3.2 测量太阳能电池的输出电流和输出电压

从低到高调节匹配负载模块的电阻值，按照电压从2 V到18 V增加，每次增加2 V，在表2中记录输出电流值。最后绘出太阳能电池板的U-I伏安特性曲线并计算输出功率Po=U×I。

3.3 演示太阳能电池发电带负载工作和电容充放电

太阳能电池发电直接带负载直流风扇工作，观测直流电流表和电压表示数。接着，让太阳能电池发电给电容充电，观察充电指示灯，最后让电容放电给负载直流风扇供电。

3.4 观察太阳能充电控制器和逆变器的功能

将光源照在太阳能电池上给蓄电池充电，观察太阳能充电控制器指示灯变化。再通过逆变器连接的负载节能灯，实现直流(12 V)转交流(220 V)升压和充电控制器控制蓄电池放电过程，观察点亮节能灯和交流电压表的示数。

4 实验数据处理与分析

4.1 太阳能电池的开路电压和短路电流

通过实验观测，表1给出了三种遮盖条件下太阳能电池板的最大开路电压、短路电流，无遮盖的太阳能电池板开路电压为20.0 V和短路电流为198 mA。相比无遮盖的情况，1/4遮盖和1/2遮盖度下，太阳能电池板的开路电压降低，而短路电流为零。让学生直接理解在利用太阳能电池发电过程中太阳能电池板不能被明显的遮盖。所以，为保障正常发电必须要及时清理太阳能电池板上的遮盖物。

表1 太阳能电池板的最大开路电压和短路电流

4.2 太阳能电池的输出电流和输出电压

通过从低到高调节匹配电阻值，测定太阳能电池板的输出电流随输出电压的变化，测量数据如表2所示。

图3绘制了太阳能电池板伏安特性曲线。由表2 和图3可知，随着太阳能电池输出电压的增大，输出电流会迅速下降。太阳能电池板的最大输出功率发生在输出电压14 V时，输出电流为170 mA，此时对应的最大输出功率为2.38 W。让学生通过分析太阳能电池板伏安特性曲线，掌握太阳能电池输出功率与负载之间的关系。

表2 太阳能电池板的输出电流、输出电压和功率

电压/V

4.3 演示太阳能电池发电带负载工作和电容充放电

太阳能电池板直接连接小风扇，接上直流电流表和电压表，打开卤灯，负载风扇开始转动，如图4(a)所示。

图4 太阳能电池板直接带负载风扇(a)和电容充放电(b)

通过观测，直流电流表和电压表示数分别为16 V和130 mA，太阳能电池板输出功率为2.08 W。随后，太阳能电池板直接连接电容，观察到充电指示灯亮起。接着让电容放电为负载风扇供电，观察到风扇开始转动，如图4(b)所示。让学生直观理解单太阳能电池板发电能力和应用。

4.4 演示太阳能充电控制器和逆变器的功能

太阳能电池板连接充电控制器，充电控制器接储能蓄电池，观察充电指示灯，如图5(a)所示。接着，充电控制器连接逆变器，逆变器接负载节能灯，观察到节能灯亮起，交流电压表示数为210 V，如图5(b)所示。让学生直观理解太阳能充电控制器和逆变器的功能。

图5 太阳能发电控制器充电放电(a)和太阳能电池板发电应用后的演示(b)

5 结 语

太阳能光伏发电是绿色能源利用的主要方式之一。本文设计了太阳能电池板伏安特性和发电应用实验，能测量太阳能电池板在光照下的伏安特性，演示太阳能电池发电-储电-用电过程中充电控制器和直流-交流逆变器的功能，加深学生对太阳能电池的发电原理、光伏发电技术和应用等基础知识的理解和掌握，培养学生理论联系实际的能力，提高学生的综合实践和创新能力。该实验已在我校大学物理实验课程中开设多年，受到良好的教学效果。本实验用到了能量转化法和物理模拟法，在该实验基础上，学生可以进行太阳能电池组发电特性和温度效应的系列实验研究。